2016-04-20 Auttrans/Blm
Hoe overleeft de auto de energietransitie?
1
Inleiding
De energietransitie - dus de overschakeling van het gebruik van fossiele brandstoffen naar dat van duurzame middelen voor energieopwekking - zal consequenties hebben voor de wijze waarop gemotoriseerde transportmiddelen (auto's, vrachtwagens, motorfietsen etc.) worden aangedreven. Zonder dergelijke transportmiddelen is een moderne economie als de onze ondenkbaar. In deze notitie zal worden ingegaan op de gevolgen voor de auto, hoofdzakelijk beschouwd op basis van milieutechnische overwegingen. Economische aspecten die door technische ontwikkelingen nog drastisch kunnen veranderen, zijn buiten beschouwing gelaten. Denk daarbij bijvoorbeeld aan de prijs van brandstofcellen en van waterstof. In het scenario van de aanloop naar de energietransitie en na de afronding daarvan kunnen een aantal mogelijkheden worden onderscheiden voor de aandrijving van auto's: -
-
auto's met elektrische aandrijving, uitgerust met een oplaadbaar accupakket en een elektromotor zogenaamde hybrides, auto's met een combinatie van een verbrandingsmotor voor fossiele brandstoffen, die (tevens) een generator aandrijft, en een accupakket en elektromotor auto's met een verbrandingsmotor voor waterstof auto's met een verbrandingsmotor voor methaangas, geproduceerd uit kooldioxide en waterstof volgens de Sabatier-reactiemethode auto's met een verbrandingsmotor voor ammoniak, geproduceerd uit waterstof en stikstof, bijvoorbeeld volgens het Haber-Boschproces auto's voorzien van een brandstofcel die elektrische energie produceert uit waterstof waarmee de elektromotor van de auto wordt aangedreven auto's voorzien van een brandstofcel die elektrische energie produceert uit waterstof en van een accupakket.
Opmerking: Daar waar in deze notitie wordt gesproken over een elektromotor, kan ook elektromotoren worden gelezen. Dit, omdat sprake kan zijn van aandrijving door meer dan één elektromotor, bijvoorbeeld op elk van de twee voorwielen of op alle vier de wielen.
-1-
2016-04-20 Auttrans/Blm
Op deze mogelijkheden zal hierna achtereenvolgens worden ingegaan. Daarbij zal een conclusie worden getrokken hoe kansrijk de verschillende alternatieven zijn.
2
Auto's met elektrische aandrijving.
Auto's met elektrische aandrijving, uitgerust met een oplaadbaar accupakket en een elektromotor maken op dit moment een gering, maar groeiend deel uit van het Nederlandse wagenpark. De energieopslag voor de aandrijving van de elektromotor vindt plaats in accu's. Nadelen zijn een geringe actieradius van de auto, een relatief hoog gewicht van die accu's en een oplaadtijd die in het gunstigste geval - bij snellading - in de orde van grootte van een half uur ligt. Nog kortere oplaadtijden hebben een ongunstige invloed op de levensduur van de accu's. Het nadeel van de lange laadtijd zou kunnen worden omzeild door te werken met compleet verwisselbare accupakketten, zoals bij één fabrikant al het geval is. Maar dat vereist een vergaande normalisatie van accupakketten en van delen van de auto's van verschillende typen en merken om de omvang van de benodigde infrastructuur nog enigszins acceptabel te houden. In Nederland is momenteel sprake van een project waarbij een wijk qua energievoorziening volledig zelfvoorzienend wordt. Energie geproduceerd door zonnepanelen zal daarbij worden opgeslagen in onder meer de accu's van elektrische auto's. Als de zonnepanelen geen of weinig energie produceren, is het de bedoeling, dat de in deze accu's gebufferde energie gebruikt wordt voor de plaatselijke elektriciteitsvoorziening. Verwacht mag worden, dat in wat langere perioden met weinig zonnekracht toch elektrische energie uit het openbare elektriciteitsnet zal moeten worden betrokken. Enerzijds om de accu's van de betreffende auto's op lading te houden, anderzijds om de elektriciteitsvoorziening van de woningen in de wijk in stand te houden. Op dit moment vormt dat geen probleem. Maar met de energietransitie zal er een heel andere situatie ontstaan. Veel huishoudens of complete wijken en ook bedrijven zullen wat hun (duurzame) energievoorziening betreft (grotendeels) zelfvoorzienend worden. De producenten van openbaar beschikbare duurzame energie zullen daar bij hun investeringen in productiemiddelen rekening mee willen houden. Een noodzakelijk gevolg is, dat in perioden van schaarste van door verbruikers zelf geproduceerde duurzame energie - en dus bij een grote vraag naar openbaar beschikbare energie - naar verwachting een systeem van spot pricing zal worden gehanteerd door de leverancier, waarbij de prijs van energie dus afhankelijk is van de vraag ernaar en bij schaarste flink kan oplopen.
-2-
2016-04-20 Auttrans/Blm
De animo voor de hiervoor bedoelde projecten - waarbij dus voertuigen met elektrische aandrijving een sleutelrol spelen - zal bij een systeem van spot pricing onder druk komen te staan vanwege de financiële consequenties voor de deelnemers. Rekening houdend met de hiervoor bedoelde wenselijke normalisatie zouden ook in dit geval verwisselbare accupakketten een oplossing kunnen zijn. Een ander punt in relatie tot het massaal overschakelen op elektrische auto's is de vraag hoe het met de beschikbaarheid van de grondstoffen voor de productie van accu's is gesteld. Al met al is de conclusie, dat mag worden verwacht, dat met de energietransitie elektrische auto's niet als belangrijkste middel voor personenvervoer hun intrede zullen doen. In de conclusie onder punt 9 van deze notitie zal hier nog nader op worden ingegaan.
3
Hybrides
Zogenaamde hybrides, auto's met een combinatie van een verbrandingsmotor voor fossiele brandstoffen, die (tevens) een generator aandrijft, en een accupakket en elektromotor maken dus nog gebruik van fossiele brandstoffen. Weliswaar op een efficiëntere wijze dan auto's met alleen een verbrandingmotor. Maar omdat ze nog steeds broeikasgassen uitstoten, mag worden verwacht, dat voor deze hybrides na de energietransitie geen plaats meer zal zijn. Een aparte categorie vormen de zogenaamde stekkerhybrides, dat zijn hybrides waarvan het accupakket separaat kan worden opgeladen vanuit het elektriciteitsnet. Het (fossiele) brandstofverbruik hangt onder meer af van de afstand die er tussen twee oplaadbeurten wordt gereden en hoe consequent de mogelijkheid wordt benut om het accupakket separaat op te laden. Hoe dan ook kan dezelfde - hiervoor vermelde - conclusie worden getrokken als voor "gewone" hybrides.
4
Auto's met een verbrandingsmotor voor waterstof.
Die auto's zijn uitgerust met een motor die vergelijkbaar is met die van auto's die op benzine rijden, met enkele aanpassingen o.a. van het brandstofinspuitsysteem onder meer om het ontstaan van stikstofoxiden (NOx) bij de verbranding te minimaliseren. In dit scenario en ook in de volgende scenario's in deze notitie waarbij waterstof als energiedrager fungeert, wordt ervan uitgegaan dat voor de productie van waterstof,
-3-
2016-04-20 Auttrans/Blm
voor de opslag en voor het vervoer ervan naar de distributiepunten geen gebruik gemaakt wordt van fossiele brandstoffen, anders leidt het gebruik van waterstof voor transportmiddelen via een omweg alsnog tot milieubelasting. Ten behoeve van de waterstofeconomie - dus ook voor het gebruik van waterstof voor transportdoeleinden op grote schaal - zal een compleet nieuwe infrastructuur moeten worden opgezet, vanaf massaproductie van waterstof, via massatransport en massaopslag tot transport naar de distributiepunten. Een extra aandachtspunt is de tank waarin waterstof in de auto wordt opgeslagen. Die moet een hoge druk, van 600 - 700 bar, veilig kunnen weerstaan. Bovendien moet de tankinhoud van auto's die op waterstof rijden groter zijn dan van "vergelijkbare" auto's die op fossiele brandstoffen rijden. Waterstof is een stuk lichter dan fossiele brandstoffen en neemt uitgaande van eenzelfde energie-inhoud meer volume in. Er worden en zijn speciale waterstoftanks ontwikkeld van sterk en licht materiaal, zodat het geheel - dus tank en tankinhoud/waterstof niet veel zwaarder hoeft te zijn dan bij auto's rijdend op fossiele brandstoffen.
5
Auto's met een verbrandingsmotor voor methaangas.
Bij auto's met een verbrandingsmotor voor methaangas, geproduceerd uit kooldioxide en waterstof volgens de Sabatier-reactiemethode, komt bij de verbranding de kooldioxide vrij die oorspronkelijk is gebruikt om het methaangas te produceren. Dit is dus geen goed alternatief voor auto's die worden aangedreven met behulp van fossiele brandstoffen, tenzij de kooldioxide gebruikt voor de productie van methaan is onttrokken aan de atmosfeer. Die bevat echter slechts ca. 0,03 volume % kooldioxide. De productiekosten van methaangas zullen in dat geval daardoor hoog uitvallen.
6
Auto's met een verbrandingsmotor voor ammoniak.
Met waterstof en stikstof kan ammoniak worden geproduceerd, bijvoorbeeld volgens het Haber-Boschproces, die kan worden gebruikt als brandstof voor een verbrandingsmotor welke vergelijkbaar is met die van auto's die op benzine rijden. Voordeel van ammoniak is, dat het vrij eenvoudig kan worden opgeslagen, omdat het vloeibaar is bij vrij lage drukken (ca. 9 bar bij 20 °C) Echter vanwege de giftigheid van ammoniak lijkt het toepassen van deze brandstof voor grootschalig gemotoriseerd vervoer niet erg kansrijk. Bij inademing ontstaat er
-4-
2016-04-20 Auttrans/Blm
irritatie aan de luchtwegen en prikkende ogen. Grote hoeveelheden ammoniak inademen levert een beschadiging aan de longen op. Deze schade is onherstelbaar. In ernstige gevallen kan zelfs de dood optreden (bron: http://mens-engezondheid.infonu.nl). Mocht het toch tot toepassing komen, dan is ook bij deze motoren een extra aandachtspunt het voorkomen van het ontstaan van een te hoog percentage stikstofoxiden (NOx). Tevens geldt dan - net als bij waterstof - dat voor het tanken een nieuwe infrastructuur zal moeten worden opgezet.
7
Auto's voorzien van een brandstofcel.
Bij auto's voorzien van een brandstofcel zet de brandstofcel de chemische energie opgeslagen in waterstof onder toevoer van zuurstof (bijvoorbeeld direct uit de omgevingslucht) rechtstreeks om in elektrische energie waarmee de elektromotor van de auto wordt aangedreven. Met een brandstofcel wordt op een efficiënte manier energie opgewekt, omdat de chemische energie dus niet eerst omgezet wordt in thermische energie en mechanische energie, waardoor er minder verliezen optreden. Er zijn inmiddels door verschillende fabrikanten al auto's op de markt gebracht met een dergelijke energiebron. Uiteraard dient in de betreffende brandstofcellen gebruik te worden gemaakt van waterstof bij de productie waarvan geen fossiele brandstoffen zijn gebruikt, maar bijvoorbeeld zonne- of windenergie is toegepast. Voordeel van dit soort auto's is, dat energie vanuit de brandstofcel aan het elektriciteitsnet kan worden geleverd (uiteraard mits de infrastructuur daarin voorziet). In een brandstofcel wordt gebruik gemaakt van platina als katalysator om het chemische proces op gang te brengen en in stand te houden. In verband met de schaarste van dit edelmetaal zal bij massale toepassing van dit soort energiebronnen een oplossing moeten worden gezocht gericht op beperking van de gebruikte hoeveelheid van dit metaal of op een ander materiaal moeten worden overgestapt. Bij onderzoekinstituten zijn op dat gebied al hoopvolle ontwikkelingen gaande. Daarnaast zal wereldwijd - als men schaarse metalen als katalysator blijft gebruiken een goed recyclingsysteem moeten worden opgezet. Uiteraard is het hiervoor onder punt 4 genoemde aandachtpunt betreffende de opslag van waterstof in auto's met een verbrandingsmotor ook voor auto's voorzien van een brandstofcel van toepassing.
-5-
2016-04-20 Auttrans/Blm
8
Auto's voorzien van een brandstofcel en een accupakket.
De onder punt 7 van deze notitie genoemde configuratie zou nog kunnen worden uitgebreid met een accupakket. Als de auto rijdt wordt het accupakket opgeladen door de brandstofcel en als hij staat geparkeerd, kan de eigenaar ervoor kiezen het accupakket op te laten laden door plaatselijke zonnepanelen. Vanuit het accupakket wordt de elektromotor van de auto aangedreven. Een voordeel is, dat bij voldoende, en dus goedkope beschikbare energie, het accupakket hiermee kan worden opgeladen. Bij schaarste kan energie vanuit het accupakket aan het elektriciteitsnet worden geleverd (uiteraard mits de infrastructuur daarin voorziet). Dat laatste is ook mogelijk voor de hiervoor onder punt 7 bedoelde auto's met brandstofcel (maar dus zonder accupakket). De vraag is dan ook welke toegevoegde waarde zo'n accupakket heeft. De auto is duurder in aanschaf en is er zwaarder door, dus duurder in brandstofgebruik. Daar weegt het voordeel van de genoemde mogelijkheid het accupakket soms te kunnen laden met goedkope elektrische energie waarschijnlijk niet tegenop. Verder zijn dezelfde opmerkingen als die hiervoor gemaakt zijn bij auto's met alleen een brandstofcel - en dus zonder accupakket - van toepassing.
9
Conclusie
Op grond van de voorgaande opsomming en de daarbij aangegeven overwegingen wordt geconcludeerd, dat in de aanloop naar de energietransitie en daarna, auto's voorzien van een brandstofcel voor waterstof het meest kansrijk zullen zijn om de rol over te nemen van de huidige auto's met een verbrandingsmotor voor fossiele brandstoffen. Als wordt voorzien in een infrastructuur die het mogelijk maakt dat deze auto's energie kunnen leveren aan het elektriciteitsnet, zullen deze auto's een belangrijke rol kunnen gaan vervullen in gebieden die qua energie zelfvoorzienend zijn. Dat is ook gunstig voor het voortbestaan van de elektrische auto, omdat dan het daarvoor genoemde nadeel in het geval van een krap aanbod van elektrische energie (zie punt 2 van deze notitie) teniet kan worden gedaan. Wel mag worden verwacht, dat elektrische auto's in de minderheid blijven ten opzichte van auto's voorzien van een brandstofcel voor waterstof en hoofdzakelijk voor het overbruggen van kortere afstanden - zoals woon/werkverkeer - zullen worden gebruikt.
-6-
2016-04-20 Auttrans/Blm
In mindere mate zullen waarschijnlijk ook auto's met een verbrandingsmotor voor waterstof en wellicht ook die voor ammoniak een rol gaan spelen bij de vervanging van auto's aangedreven door een motor voor fossiele brandstoffen. Om de aanschaf van auto's met een brandstofcel voor waterstof te stimuleren valt zeker in de beginfase als de aanschafkosten nog relatief hoog zullen zijn - te overwegen leningen te verstrekken voor de aanschaf van dergelijke auto's, welke leningen kunnen worden afgelost via de verrekening van de door die auto's aan het elektriciteitsnet geleverde energie.
-7-
