Weer een wiel uitgevonden

Hoe maak je een stadsbus of een truck elektrisch? Door in het wiel een elektromotor te monteren. Warna Oosterbaan

Volgende week gaat het echt gebeuren. “We zijn klaar met het testen”, zegt Arend Heinen van het Apeldoornse bedrijf e-traction. Dat heeft jaren geduurd, maar nu gaan twee bijzondere stadsbussen hun bijdrage aan de Apeldoornse dienstregeling leveren. Ze zijn uitgerust met wielen die zichzelf voortbewegen. Wielen waarin een elektromotor is ingebouwd.

Het idee ontstond, zegt Arend Heinen – zelf de zoon van Arjan Heinen, de geestelijk vader van de wielmotor en oprichter van het bedrijf – “toen we eens aan het meten waren aan een elektrisch voertuig. We maken sinds 1981 door elektriciteit aangedreven voertuigen – heftrucks, maar ook kleine voertuigen voor personenvervoer. We merkten dat de gunstige rendementen die je zou verwachten van dat soort aandrijving er in de praktijk helemaal niet uitkwamen. Een elektromotor heeft een rendement van zo’n 80 à 90 procent, maar als je bij de wielen ging meten, haalden we dat rendement bij lange na niet.”

Dat kwam, zo bleek, omdat er in de overbrenging nogal wat aandrijfenergie verloren ging. Heinen: “Elektromotoren zijn tegenwoordig nogal klein, dat komt de constructeurs beter uit. Maar het betekent wel dat ze vaak op een hoog toerental draaien, en dat via tandwieloverbrengingen dat toerental weer moet worden teruggebracht.” En daar gaat dan door wrijvingsverliezen het een en ander teloor.

Als we nu eens een elektromotor zouden hebben, bedacht Arjan Heinen, met een groot koppel en met een lager toerental. Dan krijg je wel te maken met een veel grotere diameter. Maar als je die dan in het wiel zou onderbrengen, zou er ook geen overbrenging nodig zijn. Alle problemen opgelost.

PORSCHE

Dat elektrische wiel was overigens al eerder uitgevonden. In de negentiende eeuw experimenteerde auto-ontwerper Ferdinand Porsche er al mee.

Nadien is er door veel fabrikanten op voortgeborduurd, onder meer door Siemens en bandenfabrikant Michelin. De laatste liet vorig jaar op de autosalon in Parijs het prototype van een personenauto zien die door twee ‘actieve wielen’ werd aangedreven. Vering, remmen en een kleine 30 kilowatt-motor in één velg. Die elektromotor was overigens nog van het hoogtoerige type en had wel een overbrenging: via een tandwiel werd de velg aangedreven.

E-traction volgde een andere weg: de velg werd zelf een onderdeel van de motor. De binnenkant van de velg werd bezet met een dertigtal permanente magneten. Een daarbinnen weer opgesteld, stilstaand spoelenstelsel brengt de magneten aan het draaien als er een stroom door de spoelen wordt gestuurd. Er zijn kleine windturbines die volgens dit direct-drive principe werken.

E-traction mikte op de markt voor bussen en vrachtwagens – dan zijn de velgen flink groot en het principe het gemakkelijkst te verwezenlijken – en ontwikkelde samen met de Duitse motorenfabrikant Ziehl-Abegg de eerste prototypes. In Apeldoorn werd een paar jaar geëxperimenteerd met een testexemplaar zonder passagiers, maar nu is dan de reële gebruiksfase ingetreden.

Uit twee nieuwe Volvobussen werd de dieselmotor gesloopt en vervangen door een kleinere motor van 70 kilowatt – want de bus is een hybride voertuig. Die verbrandingsmotor drijft nooit rechtstreeks de wielen aan – zoals in de meeste hybride personenauto’s wél het geval is – maar laat voortdurend een generator draaien die stroom opwekt waarmee een flinke lithium-ion accu wordt opgeladen. Vanuit de accu worden twee wielmotoren van 120 kilowatt van stroom voorzien. Met de wielmotoren kan ook geremd worden. De spoelen worden dan omgeschakeld, de motor gaat als generator werken en de opgewekte stroom wordt naar de accu teruggeleid.

VERVUILING

De bus kan desgewenst een afstand van enkele tientallen kilometers afleggen zonder lopende verbrandingsmotor. Heinen: “In Rotterdam gaan twee bussen met wielmotoren rijden die met een GPS-systeem zijn uitgerust. Als de bus in een zone komt waar de vervuiling terug moet, gaat de dieselmotor uit en schakelt de bus automatisch over op geheel elektrische tractie.”

Een van de voordelen van de wielmotoren is dat het gebruikelijke differentieel kan vervallen. Een differentieel (een vernuftige tandwielkast die de aandrijving verdeelt over twee wielen) zorgt voor de oplossing van het bochtenprobleem. In een bocht draait het buitenste wiel harder dan het binnenste. Als beide wielen even hard zouden worden aangedreven, zou een auto zo goed als onbestuurbaar worden en flink wat energie zou in verdampend rubber worden omgezet. Het differentieel verdeelt de aandrijving over de beide wielen en laat zich daarbij leiden door de weerstand die een wiel ondervindt: hoe meer weerstand – bijvoorbeeld bij het maken van een binnenbocht – des te lager het toerental.

Bij twee wielmotoren geschiedt de aansturing geheel elektronisch: uit de hoek die het stuurwiel maakt, worden de aandrijfsnelheid en het benodigde vermogen voor elk wiel berekend. Minder wrijvingsverliezen zijn het gevolg.

RODE DIESEL

Al met al is een brandstofbesparing van zo’n 50 procent mogelijk, zegt Heinen. Een bijkomend voordeeltje was dat de brandstof voor een motor die niet rechtstreeks de wielen aandrijft, in een ander fiscaal regime valt. Heinen: “Je mag rode diesel gebruiken, dat is dertig cent per liter goedkoper.”

Een wielmotor heeft ook een nadeel: het wiel wordt zwaarder, en dat willen autoconstructeurs vermijden. Het ‘onafgeveerde gewicht’ wordt dan hoger, en dat gaat ten koste van comfort en wegcontact. Maar bij de testritten is daar niets van gebleken, zegt Heinen. Waarschijnlijk omdat de bus zélf nogal zwaar is. Bij personenauto’s zou een wielmotor wat dat betreft problematischer kunnen zijn.

Dat het met wielmotoren nóg schoner kan, wil het bedrijf Hytruck graag laten zien. Zij bouwden een Mitsubishi-truck om, voorzagen hem van twee wielmotoren van e-traction, maar kozen niet voor een dieselmotor als primaire energiebron. Ze monteerden een brandstofcel die waterstof in elektriciteit omzet. In een kevlar tank past ruim tweehonderd liter samengeperste waterstof, genoeg voor een actieradius van zo’n 350 km. Het is een voertuig dat op vrachtwagenbeurzen veel bekijks trekt en innovatieprijzen krijgt, maar dat vooralsnog gehandicapt wordt door het feit dat je bijna nergens waterstof kunt tanken.