De toeleveringsketen breekt. Texas, Oklahoma, Alaska – geen van hen kan genoeg olie pompen om de Amerikaanse eetlust te stillen. China en India zijn ook hun economieën aan het opbouwen. De vraag overstijgt het aanbod. Prijzen pieken. De lucht wordt dikker. Je voelt het aan de pomp.
De industrie antwoordt met technologie. Waterstofbrandstofcellen stoten alleen waterdamp uit. Biobrandstoffen verbranden plantaardig materiaal. Elektrische voertuigen (EV’s) zijn afhankelijk van oplaadbare batterijen. Hybriden combineren benzinemotoren met elektromotoren. De Toyota Prius domineert het hybridesegment. Het biedt brandstofbesparing. Het vermindert de vervuiling. Maar het is niet perfect. Het gewicht van de batterij is een probleem. Degradatie is een probleem.
Er is een ander pad. De Environmental Protection Agency (EPA) en verschillende fabrikanten testen hydraulische hybrides. Ze gebruiken principes die vergelijkbaar zijn met elektrische hybrides. Ze dumpen zware batterijen. Ze gebruiken lichtgewicht componenten. Ze gebruiken schone vloeistof om het voertuig bij lage snelheden aan te drijven.
Hoe werkt het? Is het levensvatbaar? We kijken naar de mechanica, de vergelijkingen en de huidige staat van hydraulische hybridetechnologie.
Diesel: het vuile alternatief
Alternatieve brandstof betekent meestal niet-oliebronnen. Diesel tart deze definitie. Het komt uit olie. Maar het is minder verfijnd dan benzine. Het bevat meer energie per gallon. Het resultaat is een uitstekend benzineverbruik.
Mercedes-Benz en anderen hebben schoonverbrandende dieselmotoren ontwikkeld. Ze verminderen de uitstoot. Dieselemissies zijn vuiler dan benzine-emissies vanwege de lagere verfijning. Koolstofdeeltjes zijn een punt van zorg. Toch blijft de efficiëntie hoog. Het blijft een haalbare optie voor specifieke gebruikssituaties.
Hoe hydraulische hybrides werken
Hydraulische hybriden slaan energie op in perslucht of vloeistofdruk. Een elektromotor fungeert zowel als starter als als generator. Het drijft een hydraulische pomp aan. De pomp brengt de vloeistof onder druk. De vloeistof slaat energie op in een accumulator.
Wanneer het voertuig versnelt, drijft de opgeslagen druk een hydraulische motor aan. Deze motor ondersteunt de verbrandingsmotor. Tijdens het remmen vangt het systeem kinetische energie op. Het brengt de vloeistof weer onder druk. Dit is regeneratief remmen. Maar zonder batterijen.
De accu is lichtgewicht. Het laadt snel op. Het kan beter omgaan met frequent stop-and-go-verkeer dan batterijen. Batterijen gaan na verloop van tijd achteruit. Hydraulische accumulatoren hebben een langere levensduur. Ze verdragen extreme temperaturen beter. Lithium-ionbatterijen verliezen capaciteit bij kou. Hydraulische systemen niet.
Vergelijking: hydraulische versus elektrische hybrides
Elektrische hybrides maken gebruik van hoogspanningsbatterijen. Deze zijn zwaar. Ze vereisen een complex thermisch beheer. Ze bevatten giftige stoffen. Recyclen is moeilijk.
Hydraulische hybrides vervangen de batterij door een accu. Het systeem is lichter. De componenten zijn eenvoudiger. Onderhoud is goedkoper. De vloeistof is schoon. Het lekt niet in de grond, zoals sommige batterijchemicaliën.
Efficiëntie verschilt. Elektrische hybrides zijn efficiënt op snelwegsnelheden. Hydraulische hybriden blinken uit in stedelijke omgevingen. Ze kunnen goed omgaan met acceleratiestoten. Ze recupereren energie tijdens het remmen effectief. De afweging is bereik. Elektrische hybrides hebben een groter elektrisch bereik. Hydraulische hybrides hebben een korter elektrisch bereik. Ze vertrouwen meer op de motor.
Huidige toepassingen
Wie gebruikt hydraulische hybrides? De technologie is nog niet mainstream voor sedans voor passagiers. Het wordt gebruikt in zware toepassingen. Stadsbussen profiteren van frequente haltes. Vorkheftrucks gebruiken hydraulische systemen voor het heffen. Het principe schaalt.
Fabrikanten experimenteren. Sommige prototypevoertuigen gebruiken hydraulisch vermogen voor rijden in de stad. De EPA evalueert deze systemen op emissienormen. Het doel is het terugdringen van de vervuiling. Hoger brandstofverbruik. Lagere kosten.
De technologie is geen wondermiddel. Het heeft beperkingen. Bereik
Het langzame voordeel van hybrides
Elektromotoren in standaard hybrides hebben hun grenzen. Ze zijn licht van gewicht en efficiënt om door het verkeer te kruipen, maar missen het koppel om een voertuig bij hogere snelheden voort te stuwen. Dit is de reden waarom de meeste hybride aandrijflijnen overschakelen op benzine zodra je 30 tot 50 km/uur haalt. Onder die drempel neemt de elektromotor de werklast over, waardoor het brandstofverbruik en de uitstoot aanzienlijk worden verminderd. Dit is echter niet de enige manier om verloren energie op te vangen. Hydraulische hybriden bieden een mechanisch alternatief dat elektriciteit volledig omzeilt.
Hoe hydraulische hybriden energie opslaan
In plaats van lithium-ionbatterijen vertrouwen hydraulische systemen op vloeistofdynamica. De opstelling omvat drie kerncomponenten: een lagedrukreservoir, een pomp en een hogedrukaccumulator. De accu is de sleutel. Het bevat de opgeslagen vloeistof samen met stikstofgas onder druk. Als je remt, verdwijnt de kinetische energie niet als warmte, zoals bij een conventionele auto. In plaats daarvan activeert die kracht de pomp. De pomp duwt vloeistof uit het reservoir in de accumulator. Terwijl de druk binnenin toeneemt, wordt het systeem opgeladen, waardoor de toestand van een volledig opgeladen elektrische batterij wordt nagebootst.
Directe aandrijving: de motor omzeilen
Het verschil met elektrische hybrides wordt hier groot. Een standaard hybride stuurt energie naar een elektromotor, die vervolgens de aandrijfas laat draaien. Hydraulische hybrides slaan de elektromotor volledig over. Het onder druk staande stikstofgas in de accu geeft zijn energie rechtstreeks af aan de aandrijflijn. Deze mechanische kracht laat de aandrijfas draaien, waardoor het voertuig versnelt. Naarmate de auto sneller gaat draaien, keert de pomp zijn werking om en verplaatst de vloeistof terug naar het reservoir. Deze cyclus bereidt het systeem voor om de volgende keer dat u remt, opnieuw energie op te vangen. Het is een gesloten lus. Eenvoudig. Efficiënt. Geen elektromotor die het chassis verzwaart.
“Het omzeilen van een elektromotor helpt hem ook efficiënt te blijven.” — De mechanische directe aandrijving elimineert conversieverliezen die inherent zijn aan elektrische systemen.
Het frisdrankflesprincipe
Denk aan het schudden van een fles frisdrank. Er wordt druk opgebouwd totdat deze moet worden vrijgegeven. Hydraulische hybrides werken volgens hetzelfde principe. In plaats van overal koolzuurhoudende vloeistof te spuiten, kanaliseert het systeem die druk naar de assen. De aandrijflijn verbindt de transmissie met de aandrijfwielen, waardoor de gasdruk in beweging wordt omgezet. Door de tussenstap van elektrificatie te verwijderen, vermindert het systeem het aantal onderdelen dat kan falen of energie kan verliezen tijdens de overdracht.
De tekortkomingen van de hybride hype
Zijn gas/elektrische hybrides de perfecte oplossing? Niet noodzakelijkerwijs. Hoewel ze minder brandstof verbruiken, introduceren ze nieuwe problemen. Het toevoegen van batterijen en elektromotoren verhoogt het gewicht van het voertuig. Zwaardere auto’s hebben meer energie nodig om te kunnen rijden, wat een deel van de efficiëntiewinst teniet kan doen. Bovendien blijft het weggooien van batterijen een logistieke en ecologische hindernis. Giftige materialen in deze cellen vereisen een gespecialiseerde behandeling, waar veel gemeenschappen slecht toe in staat zijn.
Dan is er het gedragsaspect. HOV-rijstroken zijn ontworpen om congestie te verminderen door carpoolen te belonen. Veel steden stelden deze rijstroken open voor hybride bestuurders met één inzittende. Dit creëert een perverse prikkel. Een hybride bestuurder die alleen op een rijstrook rijdt, stoot nog steeds vervuilende stoffen uit, iets minder dan een auto die alleen op benzine rijdt. Toch behalen ze het tijdvoordeel dat bedoeld is voor voertuigen met meerdere personen. Ondertussen zitten benzineauto’s die carpoolen vast in het reguliere verkeer. Het resultaat? Hybridechauffeurs rijden door terwijl de echte carpoolers wachten. De vervuiling is misschien lager per kilometer, maar de efficiëntie van het weggebruik neemt af. De technologie is geen wondermiddel. Het is gewoon een ander soort afweging.
Parallelle systemen worden rechtstreeks op een standaardtransmissie en aandrijfas vastgeschroefd. Eenvoudig genoeg. Maar er zit een addertje onder het gras. De verbrandingsmotor stopt nooit echt. Het staat stil. Het verbrandt brandstof terwijl je bij een licht zit. In tegenstelling tot gas-elektrische hybrides, die de motor uitschakelen om gas te besparen, houden parallelle hydraulische hybrides de gasmotor draaiend, klaar om te helpen tijdens harde acceleraties.
De wisselwerking is steil. U krijgt een brandstofbesparing van ongeveer 40 procent. Dat is veelbetekenend. Maar de technologie blijft grotendeels beperkt tot zware bestelwagens. Je zult hem nog niet vinden onder de motorkap van een typische sedan.
Het serievoordeel
Serie hydraulische hybrides nemen een andere route. Ze laten de conventionele transmissie en aandrijfas volledig achterwege. Het vermogen stroomt van de motor naar de hydraulische pomp en vervolgens rechtstreeks naar de wielen. Minder componenten betekent minder energieverlies door wrijving en hitte.
Door deze opstelling kan de benzinemotor volledig worden uitgeschakeld wanneer het voertuig niet beweegt. De wielen draaien uitsluitend op de hydraulische druk die in de accumulator is opgeslagen. Het resultaat? Het brandstofverbruik springt naar een verbetering van 60 of zelfs 70 procent. De emissies dalen dienovereenkomstig. De wiskunde is eenvoudig: minder draaiende motor betekent minder afval.
Waarom UPS?
Je zou je kunnen afvragen waarom de EPA ervoor heeft gekozen om samen te werken met UPS en Eaton Corporation in plaats van met een grote fabrikant van personenauto’s. Het antwoord ligt in gebruikspatronen. Hydraulische hybrides schitteren in het stop-and-go-verkeer. Bestelwagens doen precies dat. Ze stoppen regelmatig. Ze beginnen vaak. Ze brengen het grootste deel van de dag door op lage snelheden, waar de motor anders nutteloos stationair zou draaien.
In 2005 kondigde de EPA een proefprogramma aan met seriehydraulische hybride vrachtwagens voor UPS. Dit zijn geen conceptauto’s. Ze zien eruit als standaard UPS-busjes. Maar daaronder doet het hydraulische aandrijfsysteem van de serie het zware werk. De benzinemotor laadt het hydraulische systeem op. De hydrauliek duwt de bestelwagen vooruit. De motor slaapt terwijl het busje rolt.
Potentieel maximaliseren
Het begrijpen van dit onderscheid is van cruciaal belang. Parallelle systemen bieden bescheiden winsten met minimale structurele veranderingen. Seriesystemen leveren enorme efficiëntie, maar vereisen een fundamenteel herontwerp van de aandrijflijn. Voor toepassingen met veel kilometers en frequente stops zijn serie-hybrides de duidelijke winnaar. Voor al het andere is de technologie nog steeds bezig haar basis te vinden. De echte vraag is niet of het werkt. Het gaat erom of we er klaar voor zijn om de traditionele transmissie los te laten.
Waarom de EPA inzet op zware vrachtwagens, niet op sedans
Het klinkt contra-intuïtief. Je ziet een enorme UPS-bestelwagen en denkt: “Waarom stop je dit niet in een Prius?” De EPA steunde de serie hydraulische hybride in 2005, maar ze deden het niet vanwege de sensatie van het zien van hydraulische kracht in een compacte sedan. Ze deden het vanwege de patstelling.
Hydraulische hybrides schitteren niet op de open snelweg. Als je eenmaal met een snelheid van 100 km/uur rijdt, zijn het gewoon gewone auto’s. Hun magie vindt plaats in stop-and-go-verkeer. Dat is waar het hydraulische systeem van de serie uitblinkt. Het schakelt de motor volledig uit en draait op opgeslagen hydraulische druk. Stop. Gaan. Stop. Gaan. Die cyclus is de sleutel tot brandstofbesparing.
UPS-vrachtwagens leven in deze cyclus. Ze kruipen door stedelijke centra. Ze komen zelden op de snelweg. Ze staan voortdurend stil terwijl chauffeurs op de deur kloppen of op pakjes wachten. Bij een conventionele dieseltruck verbrandt het stationair draaien brandstof en veroorzaakt vervuiling. Bij een hydraulische hybride slaapt de motor. De truck blijft aangedreven, maar de uitlaat blijft stil.
Er is ook sprake van een schaaleffect. Het verminderen van de uitstoot met één procent op een kleine auto heeft een kleine impact. Als je hetzelfde doet op een zware vrachtwagen die duizenden kilometers per jaar aflegt, ontstaat er een meetbaar verschil. De uitbetaling is niet alleen theoretisch. Het zit in de opgeslagen liters.
De efficiëntiekloof: hydraulische versus elektrische hybrides
De cijfers zijn hier grimmig. Een standaard gas/elektrische hybride recupereert ongeveer 30 procent van de energie die verloren gaat tijdens het remmen. Een hydraulische hybride? Het grijpt 70 procent van die energie op. Waarom het verschil? Het pad dat de energie aflegt. Elektrische hybrides leiden de remenergie via een elektromotor naar een batterij. Bij elke stap zijn er conversieverliezen. Hydraulische systemen vangen die energie direct op en slaan deze op in vloeistof onder druk, zonder tussentijdse elektrische conversie.
De EPA schat dat deze efficiëntie de CO2-uitstoot met 40 procent verlaagt in vergelijking met conventionele UPS-vrachtwagens. Voor een vloot klopt dat. Eén vrachtwagen kan jaarlijks 1.000 liter brandstof besparen. Gedurende de levensduur van het voertuig kunnen onderhoudsbesparingen en lagere brandstofkosten UPS tot $ 50.000 per vrachtwagen opleveren. Minder onderhoud dan een gas/elektrische opstelling is nog een overwinning. Hydraulische componenten zijn licht van gewicht. Ze gebruiken eenvoudige mechanica. Ze vereisen geen complexe batterijbeheersystemen of protocollen voor de verwijdering van giftige chemicaliën.
Maar er zit een addertje onder het gras. Een enorme.
Het radioprobleem
Bij uw plaatselijke dealer zult u geen hydraulische hybride sedan tegenkomen. Geen enkele grote autofabrikant heeft plannen om er een te bouwen. De reden is niet techniek. Het is gemak. Het is uw autoradio.
Moderne auto’s zijn elektrische hubs. De radio, de airconditioning, het infotainmentscherm, de elektrisch bedienbare ramen: ze werken allemaal op de accu. Bij een standaardauto laadt de dynamo de accu op terwijl de motor draait. Als u de motor uitzet, raakt de accu leeg. Je koplampen aan laten? Je zit vast.
Gas/elektrische hybrides lossen dit op met extra accu’s. Ze houden de elektronica in leven als de motor uitvalt bij een rood licht. Hydraulische hybrides hebben die extra accubank niet. De energie wordt mechanisch of hydraulisch opgeslagen, en niet als elektrische lading in een netklare batterij.
Bij een parallelle hydraulische hybride wordt de motor nooit uitgeschakeld. De dynamo zorgt er dus voor dat de radio blijft spelen. Geen probleem. Maar de serie hydraulische hybride? Dat is de meest efficiënte versie. Tijdens stops wordt de motor uitgeschakeld. Zonder extra batterijen om de lading vast te houden, valt de radio uit. De airco stopt. De GPS wordt donker.
Voor een bestelwagen is dat prima. Het maakt de bestuurder niet uit of de radio stil is als hij stilstaat. Voor een consument die in het verkeer zit, is het een dealbreaker. Je wilt je vermaak. U wilt uw klimaatbeheersing. Een hydraulische seriehybride kan dat niet bieden zonder het gewicht en de complexiteit toe te voegen die het probeert te vermijden. Het is moeilijk te verkopen voor Amerikaanse kopers die verwachten dat hun auto een mobiele woonkamer zal zijn, zelfs als deze stilstaat.
De technologie wacht dus. Efficiënt. Krachtig. Maar stil.
