Energiek wiel

Een lijnbus die voor drie tientjes diesel een hele dag rondrijdt. Het geheim: vier elektrische wielen.

Werktuigbouwer Arjan Heinen en softwaredeskundige Jorg Bracker gaven met software en elektronica opnieuw vorm aan een eeuwenoud concept. Ze integreerden een elektrische motor met een wiel. Je zou kunnen zeggen dat The Wheel een elektromotor is met een band eromheen.

Het tweetal, dat deze week de Mechatronicaprijs 2001 van de Nederlandse brancheorganisatie voor Industriële Elektronica kreeg voor zijn vinding, komt met verbluffende claims. Heinen zegt dan zijn wiel in vergelijking met brandstofmotoren een energiebesparing geeft van zo'n 80 procent. Vier van deze elektrowielen onder een lijnbus verbruiken volgens Heinen geen 180 maar slechts 40 liter diesel per dag. De kostenbesparingen zijn nog groter, omdat voor elektrische voertuigen geen wegenbelasting en brandstofaccijns verschuldigd zijn. Voor drie tientjes aan rode landbouwdiesel kan de generator van een elektro-bus de hele dag uit de voeten, terwijl een autobus op diesel minimaal voor driehonderd gulden aan brandstof verbruikt.

Onafhankelijke onderzoekers van de TU Eindhoven testten de vinding en bevonden de constructie goed genoeg voor de aandrijving van autobussen. De Duitse motoren-producent Ziehl-Abegg, dat ook onderdelen voor The Wheel levert, kwam tot dezelfde conclusie. Intussen loopt nu een patentaanvraag voor de besturing en de aandrijving.

Ruim een eeuw geleden werd een soortgelijk kunstje al geflikt door een van de grondleggers van de huidige automobielindustrie. Het was de jonge ingenieur en testrijder Ferdinand Porsche senior die met zijn compagnon Lohner het eerste elektrische wiel bedacht. In 1900 stal de Lohner-Porsche Elektrische Auto op de wereldtentoonstelling in Parijs de show. De Lohner-Porsche-aandrijving werd begin twintigste eeuw toegepast in middelgrote transportvoertuigen zoals bussen, bestel- en brandweerauto's. In Nederland gebruikten de Amsterdamse brandweer en de Amstelbrouwerij de elektrische wielen voor hun wagens. Lekker lopen deed het nog niet. De batterijen gaven problemen, de aansturing van de motor was niet optimaal en de banden waren ongeschikt voor hobbelige wegen. De komst van de benzinemotor betekende de nekslag voor het elektrische wiel.

Bijna een eeuw later loopt Arjan Heinen er opnieuw tegenaan. De eerste ideeën ontstonden toen hij en zijn partner Bracker werkten aan de motorregeling voor een people mover, een karretje zonder chauffeur, van het bedrijf Frog in Utrecht. Hoewel ze met mechanica weinig ervaring hadden, vroeg Frog of A&J ook de chassis en aandrijving voor hun rekening wilden nemen. Heinen: ``We werden gebombardeerd tot voertuigbouwer.''

RAADSEL

Toen Heinen naging hoeveel batterijcapaciteit hij voor de people mover nodig had, plaatste het verschil tussen theorie en praktijk hem voor een raadsel. Hij berekende voor het voertuig een energierendement van 67,5 procent met de eenvoudige vermenigvuldiging van de rendementen van de motor (0,85), de tandwielkast (0,93), de elektronica (0,95) en de batterij (0,90).

Meten gaf tot zijn verbijstering een totaal ander beeld. Met de wielen van de grond mat Heinen bij volle draaisnelheid een stroom van 135 ampère. Die had het voertuig nodig om überhaupt te kunnen draaien. Daarna werd op volle snelheid met de wielen op de grond de stroom gemeten. Ditmaal trok de motor een stroom van 255 A. ``In de praktijk was het rendement dus 135 gedeeld door 255 is 46 procent'', zegt Heinen. ``Ik had geen idee waar die 21,5 procent was gebleven.'' De ingenieur vroeg tests op van batterijen, motoren, tandwielkasten en elektronica en kwam tot een voor hem schokkende ontdekking: vervoermiddelen met een versnellingsbak hebben een flink energiegat. ``Dit wordt sinds jaar en dag voor lief genomen in de automobielindustrie, maar het is een gigantische verliespost'', aldus Heinen.

Het probleem vindt zijn oorsprong in het ontwerp van de tandwielkast. Dit onderdeel moet bestand zijn tegen de maximale koppel die de motor bij nul toeren uitoefent, bij het optrekken. ``Een verbrandingsmotor van een wagen moet bij het wegrijden een koppel van pakweg 350 Nm leveren'', zegt Heinen. ``Je kan wel een softstart doen, maar dan kom je niet vooruit. Je moet in noodsituaties ook kunnen accelereren en af en toe een stoeprandje nemen. Maar om een auto op snelheid te houden bij 2500 toeren is er slechts een koppel van 45 Nm nodig. We zitten dus met een versnellingsbak in onze auto's die een veel te zware constructie heeft.''

Het energielek is het grootste op volle snelheid, in de meeste rijsituaties. Om een voertuig op hoge snelheid te houden is weliswaar weinig kracht nodig, maar dan gaat er in verhouding wel meer energie verloren door de stijve constructie van de versnellingsbak. Heinen: ``Het aantal verlieskilowatts neemt toe met de snelheid van het voertuig. Als je dat inziet begrijp je waarin de 21,5 procent rendementsverschil zat die ik voor het elektrische voertuig van Frog berekende. Dat is het grote voordeel van The Wheel. Wij laten de tandwielkast buiten werking. Die hebben we niet nodig.''

rekenwerk

De wielen worden onafhankelijk aangedreven en onafhankelijk gestuurd, allemaal via software. Daarvoor heeft elk van de wielen een kleine computer aan boord en die ontvangt van een centrale computer de commando's voor sturen, gasgeven en remmen. Voor al dat draaien en accelereren moet heel wat rekenwerk worden verricht, want tijdens het rijden hebben de wielen niet altijd dezelfde draaisnelheid en staan ze in een bocht niet onder dezelfde hoek.

Veelbelovend, maar economisch gezien staat de constructie nog op een forse achterstand met de huidige aandrijvingen voor het passagiers- en goederenvervoer. Een massaproductielijn is er nog niet. The Wheel is een samenballing van mechanica, micro-elektronica en software met een stevige elektromotor waarvan het prototype een lieve 64 duizend gulden kost. Daarvoor koop je een aardige BMW.

De grote beloftes op het punt van energiebesparing trokken het energiebedrijf Nuon over de streep om het futuristische wiel te gaan testen. The Wheel draaide intussen tweeëneenhalve maand in weer en wind als micro-waterkrachtcentrale – een elektromotor is ook als generator te gebruiken – op het Gelderse landgoed Staverden. De commissie duurzame energie van de gemeente Apeldoorn en de vervoersmaatschappij Connexxion werken inmiddels aan plannen om een stadsbus te gaan uitrusten met The Wheel.

Het wiel komt vooral tot zijn recht in de bebouwde kom, in situaties waarbij veel moet worden geaccelereerd. Er zijn geen extra stuurstangen en ook geen centrale aandrijfstangen nodig. De wielen kunnen een veel grotere draaiing maken en daardoor kan een autobus een vrijwel zijwaartse inparkeerbeweging maken. Zonder al die aandrijfstangen kunnen Wheel-bussen zeer laag worden uitgevoerd en dat maakt een dubbeldekkerbus eenvoudiger in het ontwerp.

Bij het vertragen werken de wielen als generator. ``Dat betekent niet dat we in die korte tijd de batterijen kunnen bijladen, maar de gegenereerde energie is wel direct te gebruiken voor belichting en andere zaken en dat spaart de accu'', zegt Heinen. Hij schat dat bij het opschroeven van de productie naar enige honderden stuks de verkoopprijs al naar 15 duizend gulden kan zakken.

    • Rene Raaijmakers