Stel je voor: twee enorme wielen waar je tussen zit. Studenten van de universiteit van Adelaide in Australië hebben een elektrische dicyle (diwiel) ontworpen en gebouwd. Met enige aanpassingen kan dit opmerkelijke voertuig de transportproblemen in de binnensteden oplossen. Het team van veertien werktuigbouwstudenten hebben het idee van een diwiel letterlijk op zijn kop gezet. Op deze manier hebben ze een voertuig gecreëerd dat zou kunnen worden gebruikt om mensen veilig te transporteren met een minimaal energieverbruik.
EDWARD bestaat uit twee enorme wielen met een bak er tussen gemonteerd.
Een bekend probleem bij dicycles is het opslaan en weer afstaan van bewegingsenergie. Als je met een diwheel remt, wordt de bewegingsenergie van de bak die aan de as hangt, niet geabsorbeerd, waardoor deze enorm gaat schommelen en misschien zelfs over de kop slaat. In ieder geval bezorgt dit de inzittenden een gevoel van zeeziekte.
Deze problemen hebben de studenten opgelost door de as vrij te laten draaien. Elektronica en mechanische hulpstukken corrigeren de bewegingen en absorberen de energie als het voertuig draait of remt. Het gevolg hiervan is dat het bizarre voertuig niet alleen comfortabel rijdt, maar ook erg energiezuinig is. De bedenkers denken dat hun voertuig dé oplossing is voor het transportprobleem in binnensteden. Maar is het niet veel slimmer die wielen kleiner te maken, achter elkaar te zetten en er dan op te gaan zitten?
Je elektrische auto kan straks gewoon aan de pomp worden gevuld, net als een benzineauto. Niet met benzine, maar met Cambridge crude. Hebben we nu eindelijk de doorbraak die de elektrische auto mogelijk maakt?
Accu’s sloom en log
Dit goedje, door de uitvinders Cambridge Crude genaamd, is een vloeibare batterij.
Elektrische auto’s werken met een accu. Ultracondensators kunnen in enkele seconden worden opgeladen en worden steeds beter en krachtiger. Helaas halen ultracondensators het qua opslagcapaciteit van energie nog niet bij accu’s, laat staan benzine. Het nadeel van accu’s is dat het opladen zo lang duurt. Een half uur of zelfs vele uren lang bezig zijn met laden, zal weinig forenzen aanspreken.
Onderzoekers van MIT hebben nu een oplossing gevonden. Hun nieuwe batterij, een zogeheten semi-solid flow cell, bestaat uit vaste deeltjes die als suspensie in een draagvloeistof zweven. Deze vloeistof wordt door het systeem gepompt. In dit ontwerp zijn de actieve onderdelen van de batterij – de positieve en negatieve elektroden – niet zoals in een gewone batterij, vastliggende platen. Ze bestaan uit deeltjes die in een vloeibare elektrolyt zweven. Deze verschillende suspensies worden door een systeem gepompt, gescheiden door een filter, zoals een dun poreus membraan.
De elektroden van de vloeibare batterij zijn fijnverdeeld in de vloeistof.
Twee keer zoveel energie per kilo
Het onderzoek werd uitgevoerd door Mihai Duduta en Bryan Ho. Uniek aan dit nieuwe ontwerp is dat het de twee functies van de batterij: energie opslaan tot deze nodig is en de energie ontladen als deze gebruikt moet worden – in verschillende fysische structuren zijn ondergebracht. In een ‘gewone’ batterij nemen de elektroden beide functies tegelijkertijd over. Chiang, de begeleider van het onderzoek, zegt dat door deze twee functies te scheiden batterijen veel efficiënter kunnen worden[1]. Het nieuwe ontwerp belooft de afmetingen en kosten van een compleet batterijsysteem, inclusief alle ondersteunende structuren en connectors terug te brengen tot ongeveer de helft van het huidige niveau. M.a.w. twee keer zoveel energie per kilogram. Deze verdubbeling van opslagcapaciteit op zich al kan elektrische voertuigen volledig laten concurreren met benzine- of dieselvoertuigen, aldus de onderzoekers. Als het bereik van een elektrisch voertuig zou worden verdubbeld en de kosten van de accu gehalveerd, dan zou dit elektrische voertuigen zonder subsidie in Nederland al haalbaar maken. De onderzoekers schatten dat 0,13-0,25 kWh per kilo denkbaar is [2].
Batterij tanken aan de pomp
Een ander voordeel is dat het systeem het mogelijk maakt, de batterij opnieuw op te laden door te tanken. De vloeibare slurry wordt er dan uitgepompt en vervangen door een verse, volledig opgeladen vervangingslading. Een andere oplossing (die ook bij andere types accu kan worden gebruikt) is de complete tank verwisselen. Als je de auto bekleedt met zonnepanelen, zou deze zelfs de tank weer opnieuw kunnen vullen.
Flow batteries bestaan al langer, maar hebben vloeibare media gebruikt met een zeer lage energiedichtheid. In een elektriciteitscentrale is dat niet zo erg – gewicht en volume is dan niet zo belangrijk. Het gaat dan eerder om de vraag, hoeveel energie per euro kan worden opgeslagen. In een elektrisch voertuig is gewichtsbesparing juist heel belangrijk.
Nooit meer hoeven te tanken. Is het in theorie mogelijk dat er ooit een auto komt die geheel in staat is om op zonlicht of andere energiebronnen te rijden, zonder op te laden?
De Nuna 5 is zeer licht gebouwd om een maximale snelheid uit de zon te persen. Het wagentje zou wel eens de voorloper kunnen zijn van volkomen energieonafhankelijke auto's, in ieder geval in woestijnlanden en tropiasche gebieden.
De hoeveelheid zonlicht in Nederland is zeer wisselend. Rond 21 juni, de dag met de grootste daglengte, valt er per vierkante meter ongeveer tien keer zoveel zonne-energie (rond de vijf kilowattuur) als rond 21 december. De allerbeste zonnepanelen hebben op dit moment een rendement van ongeveer veertig procent.
In zonnige landen als Israël en India kan het. Er valt daar gemiddeld rond de zes kilowattuur aan zonnestraling per vierkante meter. Als we aannemen dat een auto helemaal met zeer efficiënte zonnepanelen bekleed is en dat gemiddeld ongeveer vijf vierkante meter door de zon loodrecht beschenen wordt, dan betekent dat dus dat de auto per dag ongeveer twaalf kilowattuur opwekt uit zonlicht. Voldoende voor tachtig tot honderd kilometer rijden. Er is daar ook in de winter voldoende zonne-energie voor de gemiddelde automobilist om zonder te tanken door te kunnen blijven rijden. Op dit moment zijn deze zonnecellen helaas nog te log en te duur.
In Nederland wordt ongeveer tien kilowattuur geproduceerd, voldoende voor ongeveer zeventig tot tachtig kilometer. Met voldoend grote accu’s is dit net voldoende voor de gemiddelde forens in de zomer, als hij in het weekend de auto laat opladen. In de winter is de hoeveelheid elektriciteit met één kilowattuur per dag uiteraard veel te weinig. Dan zal je dus bij moeten tanken.
Er zijn echter technische doorbraken bereikt waardoor er zicht is op zonnecellen met een rendement tot 65% of meer. Ook zullen betere accu’s lichter zijn en kunnen de auto’s van lichtere materialen zoals koolstofvezel of grafeen vervaardigd worden. Als zonnecellen anderhalf keer zo efficiënt worden en het energieverbruik van de auto door het lagere gewicht en betere aerodynamische vormgeving nog eens met vijftig procent daalt, dan zal de auto zelf het grootste deel van het jaar voldoende energie opwekken. In een woestijnland zal een auto dan in een netto energieproducent veranderen. De rendementen van zonnecellen schieten omhoog, terwijl de kostprijs steeds meer daalt. Kortom: het olietijdperk zou wel eens eerder voorbij kunnen zijn dan de meeste mensen zich realiseren.
Bobsleeën is een sport waarbij alleen door de zwaartekracht (en een duw bij de start) het voertuig over een gladde ijsbaan vliegt en zeer hoge snelheden kan bereiken. Kan je hiervoor niet elektromagnetische effecten gebruiken?
-Barry
Magneetzweeftreinen
Er bestaan inderdaad magneetzweeftreinen die door middel van elektromagnetische velden blijven zweven. Het grote voordeel is dat er geen rolweerstand is en dat daardoor de zweeftrein veel grotere snelheden kan bereiken dan een trein die op de rails rijdt of een superbus, zoals die door Wubbo Ockels is ontworpen.
Magneetbobslee
Inderdaad zou je in principe hetzelfde effect kunnen gebruiken voor bobsleeën. De makkelijkste methode is de bobslee bekleden met extreem sterke permanente magneten (de allersterkste neodymiummagneten halen ongeveer 1,5 tesla). Er is alleen een probleem. Geregeld zal de bobslee in aanraking komen met de baan en het oppervlak is niet glad genoeg. De afstoting tussen de magneten en de spoelen (of magneten) in de baan is niet asymptotisch (dat wil zeggen: er is niet oneindig veel kracht voor nodig om twee magneetpolen op elkaar te duwen). Als de punt van de bobslee in aanraking komt met de baan, zal deze dus de bobslee niet voldoende afstoten om een harde botsing te voorkomen. Dit oppervlak is ongeveer 100 vierkante centimeter groot. Als we uitgaan van een bobslee inclusief inzittenden van 400 kg en een snelheid van 200 km/uur, dan is dit ruim onvoldoende.
Inductrack maakt alleen gebruik van permanente magneten en snelheid om te blijven zweven. Zeer interessant voor bobsleebanen. En de trein, misschien.
Inductrack
Als door een slim design botsingen uitgesloten zijn, kan het wel. Je krijgt dan het Inductrack systeem. Hierbij is de baan voorzien van elektrisch geleidende spoelen en de onderkant van het zwevende voertuig van magneten in een Halbach array (een configuratie waarbij de magnetische velden van de magneten aan een kant elkaar opheffen, aan de andere kant juist versterken). Loopsnelheid is (bij een verbeterd design, claimt ontwerper Post) ruim voldoende om een Inductrack toestel (bijvoorbeeld een bobslee) te laten zweven. De zwaartekracht kan dan de rest van het werk doen.
Weliswaar kampt het Inductrack systeem nog met de nodige technische problemen, maar het principe werkt, is in proefopstellingen van het Lawrence Livermore Laboratorium aangetoond. Dus wie weet zien we over niet al te lange tijd een bobsleebaan waarbij bobsleeën met permanente magneten op de bodem, over een baan van lussen draad naar beneden suizen. Bobsleeën zou inderdaad een interessante toepassing van deze techniek zijn. Wel zullen de bobsleeën beschermd moeten worden tegen botsingen – met stootkussens of verende wielen die klappen opvangen, bijvoorbeeld.
In een opmerkelijke doorbraak slaagde een piloot van een zonnevliegtuig er in om van Zwitserland naar België te vliegen, puur op zonne-energie. Wat zijn de mogelijkheden om dit nog verder op te schalen tot passagiersvliegtuig?
Solar Impulse
Het Zwitserse zonnevliegtuig Solar Impulse slaagde er in, alleen op zonne-energie, een vlucht van 480 km te maken, zo’n 50 km per uur. Het vliegtuig met een vleugeloppervlakte van 200 vierkante meter vloog boven een hoogte van 9000 meter en heeft met 64 meter de vleugelspanbreedte van een Airbus A340, een groot verkeersvliegtuig. Al eerder brak de Solar Impulse een record door maar liefst 26 uur in de lucht te blijven. Het vliegtuig weegt ongeveer 1,6 ton, een minuscule fractie van de Airbus A340 die leeg ongeveer 170 ton weegt (meer dan honderd keer zo veel)
De Solar Impulse blijft met behulp van zonne-energie in de lucht.
Hoe zou het vermogen van een zonnevliegtuig opgevoerd kunnen worden?
Om een zonnevliegtuig lonend te maken, zal het mogelijk moeten worden om tientallen passagiers plus bagage mee te voeren. Aan de aerodynamica van het toestel is met de huidige kennis niet meer veel te verbeteren.
De meest voor de hand liggende oplossing is het vleugeloppervlak nog veel groter te maken (voor tientallen passagiers moet je denken aan meer dan een vertienvoudiging, een half voetbalveld) en het rendement van de zeer dunne zonnecellen meer dan te verdubbelen. De vleugels, wanneer uitgevoerd van dunne lagen grafeen, kunnen wellicht ook worden gebruikt om elektrische energie in op te slaan. Het vliegtuig zal uitgevoerd moeten worden van koolstofvezels in plaats van zoals passagiersvliegtuigen nu, gebruikmaken van titanium en aluminium om gewicht te besparen. Recente doorbraken op het gebied van grafeen bewijzen dat dat later mogelijk zal zijn.
Andere ideeën
Het vliegtuig voor passagiers zal meer lijken op een vliegende vleugel dan op een vliegtuig zoals wij dat kennen. Verwacht ook geen zeer hoge snelheden. Vermoedelijk zal de snelheid rond de vijftig tot zeventig kilometer per uur liggen. Dit maakt zonnevliegtuigen alleen interessant voor transatlantisch vervoer of vervoer over zee. Over land zullen elektrische voertuigen het winnen. Mogelijk kunnen zonnevliegtuigen worden gelanceerd door een elektrische katapult in de vorm van een honderden meters hoge kabelbaan, waarbij de vleugels in het eerste stadium zijn ingeklapt. Dit zou het mogelijk maken heel veel energie in de vorm van hoogte en voorwaartse snelheid aan het vliegtuig mee te geven. Het enorme zweefeffect door de grote vleugels kan zo een aanzienlijk deel van de energie leveren.
Een andere optie is het vliegtuig dicht over het wateroppervlak te laten scheren. Het zogeheten grondeffect levert dan extra liftkracht, waardoor er veel minder energie nodig is om te blijven zweven. Nadeel is dan natuurlijk wel dat het vliegtuig niet boven de wolken zweeft (dus veel minder zonne-energie kan opnemen). Lukt het om veel betere elektrische batterijen te bouwen dan nu bestaan, dan kan het vliegtuig behoorlijk veel elektrisch vermogen meekrijgen en wegen de batterijen ook veel minder dan nu.
Batterijen zijn traag, zwaar en duur. Geen wonder dus dat onderzoekers over de hele wereld naar alternatieven zoeken. Zullen ultracondensatoren elektrisch rijden op grote schaal mogelijk maken?
Waarom rijden we nog niet allemaal elektrisch?
Elektrische auto's zoals de Tesla Roadster zijn nog steeds extreem duur wegens de lithiumbatterijen die er in zitten.
Elektrisch rijden kent enkele grote voordelen. Elektriciteit is uit meerdere energiebronnen te genereren. Als morgen een uitvinder een geniale manier bedenkt om energie op te wekken, hoeven elektrische auto’s dus niet omgebouwd te worden. Er is ook geen extra infrastructuur voor nodig: een stopcontsct en een verlengkabel volstaat. Ook zijn elektromotoren zeer efficiënt: zeventig tot negentig procent. Benzinemotoren halen maar twintig procent. Weliswaar verloopt de omzetting van bijvoorbeeld gas of steenkool in elektriciteit niet erg efficiënt, al halen gascentrales nu al bijna zestig procent, maar ook stroom van waterkracht of zonnecellen kan gebruikt worden.
Twee grote nadelen voorkomen dat elektrisch rijden nog steeds doorbreekt. In batterijen kan maar weinig energie worden opgeslagen (een liter benzine bevat honderd keer zoveel chemische energie als een kilo accu) en het opladen duurt heel erg lang, vaak wel een nacht. Plus uiteraard de hoge kosten van lithium-ion accu’s, op dit moment de meestgebruikte accusoort. Onderzoekers over de hele wereld werken echter koortsachtig aan oplossingen voor deze twee problemen en de laatste jaren wordt steeds meer vooruitgang geboekt op deze drie terreinen.
Accu’s zijn dus traag, duur en verslinden energie. Geen wonder dat onderzoekers steeds meer interesse krijgen in condensatoren. Die zijn namelijk zeer snel op te laden en kunnen tot een miljoen keer opgeladen worden zonder dat ze degraderen. Dat is met een accu wel anders.
Condensatoren
Een condensator slaat lading op in twee platen, waar een isolerende laag tussen zit.
Condensatoren werken fundamenteel anders dan batterijen en accu’s. In batterijen vindt een chemische reactie plaats (het ene metaal staat elektronen af en gaat in oplossing, terwijl het andere neerslaat en elektronen opneemt, bijvoorbeeld), waardoor elektronen van de negatieve naar de positieve pool stromen. De motor loopt op die stroom.
Een condensator slaat rechtstreeks lading (in de vorm van een overschot en een tekort aan elektronen) op. Een condensator bestaat uit twee (vaak opgerolde) platen, waarbij de ene plaat een positieve en de andere plaat een negatieve lading krijgt.
Het voordeel van condensatoren is duidelijk. De ionen, geladen moleculen, hoeven zich niet dwars door het stroperige water heen te worstelen zoals in een batterij, wat veel energie kost. In plaats hiervan stromen de elektronen rechtstreeks vanuit hun opslagplaats door de motor. Daardoor zijn condensatoren veel sneller en zuiniger dan batterijen. Een condensator kan, afhankelijk van de grootte, in fracties van seconden tot enkele seconden opgeladen worden. Hoe groter de oppervlakte van de platen en hoe dichter ze bij elkaar liggen, hoe meer lading ze op kunnen slaan.
Ultracondensator
Ideaal is dus een condensator met zeer veel laagjes van elk een atoom dik, bijvoorbeeld grafeen(1), die elk gescheiden worden door een isolerend laagje van een atoom dik. Een gram grafeen heeft een oppervlak van meer dan 2600 vierkante meter(2), een half voetbalveld. Geen wonder dat uit experimenten blijkt dat er zelfs in een enkele gram respectabele hoeveelheden energie opgeslagen kunnen worden. Dit is ongeveer wat er in een ultracondensator gebeurt. Einde 2010 stond het wereldrecord energieopslag op ongeveer 0,136 kWh per kilo(3), vergelijkbaar met een nikkel-hydride batterij. In theorie kan de capaciteit van grafeen worden opgekrikt tot 550 F/g, omgerekend is dat meer dan een halve kilowattuur per kilo, veel meer dan zelfs de beste batterij. Maar dan wel in slechts twee minuten opgeladen.
Directeur Huang van het start-up bedrijfje Nanotune, dat een andere techniek hanteert, stelt uiteindelijk een vergelijkbare capaciteit te kunnen halen(4). Zou het uiteindelijk mogelijk worden meerdere kilowattuur in een kilogram condensator op te slaan voor een betaalbare prijs (de richtlijn is 250 dollar per kilowattuur), dan wordt de effectieve energiedichtheid van benzine overtroffen. Het is dan definitief over en uit voor de olieindustrie.
Vooruitgang in materialen en techniek heeft er toe geleid dat fietsen met dezelfde hoeveelheid kracht een veel hogere snelheid kunnen bereiken. Het snelheidsrecord staat op meer dan 140 km per uur. Hebben we straks geen auto’s meer nodig?
Veertig kilometer per uur als absolute snelheidslimiet
Op een normale toerfiets halen de meeste mensen tien tot vijftien kilometer per uur. Professionele wielrenners rijden veertig tot meer dan zestig kilometer per uur op speciale racefietsen. Veel harder dan dat kan niet, want de luchtweerstand neemt kwadratisch toe met de snelheid. Honderd kilometer per uur is ongeveer de maximumsnelheid die een auto op de openbare weg mag hebben. Deze snelheid ligt dus duidelijk buiten bereik van fietsers. Of toch niet? Het blijkt dat door twee aanpassingen aan een huis-tuin- en keukenfiets te doen, de snelheid drastisch omhoog kan.
Betere aerodynamica maakt fietsen veel sneller
Deze velomobiel wordt geholpen door een elektrische hulpmotor. Velomobielen kunnen snelheden bereiken die in de buurt komen van die van auto’s. Bron: bluevelo.com
Op een standaard fiets zit een fietser rechtop. De eerste aanpassing is dus de fietser te laten liggen. Dit heeft twee voordelen. Zo worden de sterkste spieren in onze benen maximaal benut en wordt het oppervlak dat weerstand opwekt veel kleiner. Dit gebeurt bij de welbekende ligfiets.
Dit scheelt al aanzienlijk, maar de echte energie-efficiency winst wordt geboekt door de fiets aerodynamischer te maken. Velomobielen hebben veel weg van een druppel. Op die manier worden de hoogste snelheden bereikt. De allerbeste velomobielen, geholpen door een elektromotor, kunnen snelheden tot honderd kilometer per uur of hoger bereiken.
Snelle fietspaden
Velomobielen bewegen veel sneller dan de gemiddelde fietser. Velomobielen kunnen makkelijker met het bestaande verkeer geïntegreerd worden als op alle wegen met uitzondering van autowegen en snelwegen, de maximumsnelheid omlaag gaat naar zestig kilometer per uur. Een andere oplossing is om speciale fietspaden aan te leggen waar veel hogere snelheden bereikt kunnen worden of misschien meerbaans “fietsautobanen” aan te leggen waar fietsers elkaar makkelijk kunnen inhalen. Omdat velomobielen zo snel bewegen en nauwelijks over een kreukelzone beschikken, is het verstandig om de rijbanen te scheiden.
Voor kleinere afstanden tot ongeveer honderd kilometer is een verbeterde versie van de velomobiel ideaal. Voor grotere afstanden is de trein een beter alternatief.
Woehoe!!! Mogen we u voorstellen aan de FlyNano, de nieuwste nachtmerrie van de Nederlandse luchtvaartautoriteiten.
Heb je het helemaal gehad met de ochtendspits? De Finse visionaire luchtvaartengineer Aki Suokas heeft de oplossing: de FlyNano. Omdat het vliegtuigje zo licht is, heb je er in veel landen geen vliegbrevet voor nodig. Wel een duikpak en een zwemdiploma…
De FlyNano is een watervliegtuigje dat geheel bestaat uit extreem lichte koolstofvezel, wat het lage gewicht verklaart. Er zijn twee versies: op elektriciteit en op benzine. De elektrische versie heeft een 20 kW motor. Het bereik is 40 km (elektrisch) tot 70 km (benzine). De minimum snelheid is 70 km/h, de maximumsnelheid het dubbele. Het vliegtuigje kost 25.000-27.000 euro af fabriek exclusief BTW. Ongeveer evenveel als het gemiddelde blik op de weg.
Kortom: wij weten het wel als forens. Koos Spee, van boven!
Door de aardbeving moesten in Japan en in de VS de Toyota-fabrieken de produktie staken. Er kunnen geen auto’s meer in elkaar gezet worden omdat sommige onderdelen niet meer op voorraad zijn. Die onderdelen worden in Japanse fabrieken gemaakt, maar die zijn getroffen door de aardbeving en tsunami. Nu worden zelfs de Toyota-fabrieken in Europa stilgelegd.
De Toyota-fabrieken zijn afhankelijk geworden van heel veel toeleveranciers.
Het is de prijs van complexiteit.
De eerste auto’s bestonden uit tientallen onderdelen. Die onderdelen werden in de autofabriek zelf of dicht in de buurt gemaakt. Moderne auto’s bestaan uit duizenden onderdeeltjes. Veel van die onderdeeltjes worden gemaakt in gespecialiseerde fabrieken om de kosten te drukken.
Hoe complexer een produktieproces, hoe kwetsbaarder het wordt voor onderbrekingen.
En hoe complexer de samenleving georganiseerd is, hoe kwetsbaarder die samenleving wordt.
Een profeet wordt in eigen land niet geeerd. Zeker in Nederland heerst niet echt een klimaat voor onorthodoxe ideeën, dus Wubbo Ockels zoekt het internationaal. Met succes. In mei 2011 wordt een werkend prototype van de Superbus, deze keer gelikt vormgegeven, gepresenteerd op een show in Dubai.
De Superbus, kruissnelheid tot tweehonderdvijftig kilometer per uur, is een goedkoop en effectief alternatief voor een miljarden kostende hogesnelheidslijn naar de noordelijke provincies. Het principe is eenvoudig. Een aerodynamisch vormgegeven bus rijdt over een afgeschermde busbaan die geen gelijkvloerse kruisingen kent en kan daardoor zeer hoge snelheden halen. Omdat de Superbus over standaard wegen kan rijden, kunnen kleine segmenten van het tracé ook over andere wegen worden geleid (hoewel hiermee het snelheidsvoordeel verdwijnt).De Superbus.
