Efficiënte technieken in transport

Personenauto's met een verbrandingsmotor

Het rendement van de huidige verbrandingsmotor in personenauto's is laag; 15 tot 25 procent. Andere nadelen van verbrandingsmotoren zijn de schadelijke emissies van fijnstof en stikstofoxides. In 2018 reden er 9,4 miljoen personenauto's in Nederland (waarvan 50 duizend geheel elektrisch en 290 duizend gedeeltelijk elektrisch). Gezamenlijk reden deze auto's 110 miljard kilometer (inclusief de buitenlandse auto's op Nederlands grondgebied), dat is ongeveer 13 duizend kilometer per auto per jaar [CBS Statline].

In 2018 was de specifieke emissie van personenauto's 177 gram CO2 per kilometer. Volgens een Europese norm mogen nieuwe auto's vanaf 2021 niet meer dan 95 gram CO2 per kilometer uitstoten. De norm geldt, voor elke autofabrikant, als een gemiddelde over alle nieuw geproduceerde auto's van hun merk. Verbrandingsmotoren voldoen meestal niet aan deze norm. Daarom ontwikkelen autofabrikanten in toenemende mate elektrische en hybride auto's om de gemiddelde uitstoot van hun nieuwe auto's omlaag te brengen. Voldoet hun wagenpark in 2021 niet aan de Europese norm dan volgt een boete.

Elektrische personenauto's

Elektrische auto's kunnen worden aangedreven via batterijen of brandstofcellen. De werking van zowel de batterij als de brandstofcel berust op elektrochemische processen. De meeste elektrische auto's zijn uitgerust met batterijen, ongeveer vierhonderd auto's hebben een brandstofcel en lopen op waterstof. Het rendement van een elektromotor in een personenauto is veel hoger dan van een verbrandingsmotor en minimaal 50 procent. Dat is minstens twee keer zo hoog als het rendement van een auto met een zeer efficiënte verbrandingsmotor.

De verkoop van elektrische auto's neemt snel toe. Reden er in 2014 nog 130 duizend elektrische auto's rond, in 2019 was dat aantal meer dan verdrievoudigd tot 430 duizend. Midden 2019 werden er voor het eerst meer elektrische auto's verkocht dan diesels. Er zijn volledig elektrische auto's en hybrides. Hybrides hebben zowel een elektromotor als een verbrandingsmotor. Een plug-in hybride is een hybride waarbij de batterij ook via het elektriciteitsnet kan worden opgeladen. Bij een hybride wordt de batterij alleen via de verbrandingsmotor opgeladen. Vooral de volledig elektrische auto's nemen de laatste jaren sterk in aantal toe. Eind 2020 reden er bijna 183 duizend volledig elektrische auto's rond, tegen 110 duizend plug-in hybrides. Dit komt vooral omdat het bereik van een elektrische auto, op een acculading, is toegenomen tot meer dan 400 kilometer. Ten opzichte van vijf jaar geleden is de verkoop van volledig elektrische auto's bijna vertienvoudigd. Verschillende autofabrikanten hebben aangekondigd, binnen niet al de lange tijd, alle auto's van een elektromotor te voorzien. De verwachting is dat er rond 2035 geen personenauto's met een fossiele brandstofmotor meer worden verkocht en dat er dan uitsluitend elektrische auto's op de markt komen. Dit is het gevolg van het snel goedkoper worden van de batterijen terwijl de actieradius toeneemt. Daarnaast wordt ook verwacht dat een elektrische auto minder snel zijn waarde verliest dan een vergelijkbare benzine- of dieselauto, vooral omdat de levensduur van de batterijen vrij groot blijkt te zijn, misschien zelfs wel tot 20 jaar. Een aantal landen werkt aan een verbod op de aankoop van brandstofauto's, in te gaan vanaf 2025. Elektrische auto's zijn nu nog duurder dan auto's met een brandstofmotor. Verwacht wordt dat, in het luxere segment, de elektrische auto vanaf 2022 even duur zal zijn als een benzineauto. Voor kleinere auto's zal dat punt rond 2025 worden bereikt. In Nederland wordt de aanschaf van een nieuwe of een gebruikte, volledig elektrische, auto vanaf de zomer 2020 gestimuleerd door subsidies [CBS Statline], [Rijksdienst voor Ondernemend Nederland], [Volkskrant].

Energieverbruik van personenauto's

In 2018 reden personenauto's 110 miljard kilometer; daarbij verbruikten ze 262 PJ aan fossiele energie (benzine, diesel en LPG). Het gemiddelde specifieke brandstofverbruik van personenauto's met verbrandingsmotor komt daarmee op 2,4 miljoen Joule per kilometer. De totale CO2 emissie van de personenauto's was 19 miljoen ton. De gemiddelde specifieke emissie van personenauto's komt daarmee op 173 gram CO2 per kilometer. De benzine, de dieselolie en het LPG, waarmee auto's met verbrandingsmotor worden aangedreven, worden in raffinaderijen geproduceerd. Uitgaande van een hoog raffinaderijrendement van 98%, met een bijhorende jaarlijkse CO2 emissie van 0,4 Mton, komt het specifieke verbruik van personenauto's met verbrandingsmotor dan in totaal neer op 2,4 MJ per kilometer, met een specifieke emissie van 177 gram CO2 per kilometer.

Het gemiddelde verbruik van een elektrische auto ligt tussen de 12 en 20 kWh elektriciteit per 100 kilometer. Voor het bepalen van het energieverbruik van een elektrische auto wordt uitgegaan van een verbruik van 20 kWh per 100 kilometer, ofwel 0,72 MJ aan elektriciteit per km. Dat is veel minder energie dan de 2,4 MJ per km van de gemiddelde personenauto met een verbrandingsmotor. De energie voor het opwekken van de elektriciteit is hier nog niet in meegerekend. Deze energie wordt in het volgende bepaald.

Leggen elektrische auto's in 2018 dezelfde afstand af als de personenauto's met verbrandingsmotor, 110 miljard km, dan verbruiken de elektrische auto's 80 PJ aan elektriciteit. Deze energie wordt via een elektrische lader, vanuit het elektriciteitsnet, met een rendement van 85% aan de batterij toegevoerd. De elektrische energie wordt vanuit een centrale via het elektriciteitsnet aan de lader toegevoerd. Met de energieverliezen in het elektriciteitsnet van 4,5% betekent dat een te genereren hoeveelheid elektriciteit van 98 PJ.

De onderstaande figuur geeft een beeld van de elektriciteitsopwekking in Nederland voor de situatie in het jaar 2018. De elektriciteit wordt opgewekt door elektriciteitscentrales en warmtekrachtinstallaties of komt uit hernieuwbare bronnen. In elektriciteitscentrales en warmtekrachtinstallaties worden meestal fossiele brandstoffen (voornamelijk aardgas en steenkool) verstookt voor het opwekken van elektriciteit. Sommige elektriciteitsopwekkers worden gevoed met hernieuwbare brandstoffen als biomassa, biogas en biogeen afval of deze brandstoffen worden bijgestookt. Veel kolencentrales stoken bijvoorbeeld biomassa bij. Daarnaast zijn er centrales die gevoed worden met andere brandstoffen zoals uranium (kerncentrales) en niet biogeen afval (afvalverbrandingsinstallaties). Elektriciteit wordt ook opgewekt uit hernieuwbare bronnen via onder andere windturbines en zonnepanelen.[CBS Statline].

Scehema van de elektriciteitsvoorizeining van voor elektrische auto's

Ruim een derde van de centrales wekt behalve elektriciteit ook warmte op. Wordt het brandstofverbruik voor het opwekken van warmte, met een rendement van 90%, afgetrokken van het gasverbruik van de elektriciteitscentrales, dan ontstaat het beeld zoals geschetst in de bovenstaande figuur. In 2018 verbruikten de centrales in totaal 698 PJ aan energie voor het opwekken van elektriciteit. Deze energie bestond voor 548 PJ uit fossiele energie (voornamelijk aardgas, steenkool), voor 72 PJ aan hernieuwbare energie (biomassa en biogeen afval) en voor 78 PJ aan overige energiedragers waaronder 34 PJ aan kernbrandstoffen voor de kerncentrale. Behalve uit hernieuwbare bronnen werd 52 PJ aan elektriciteit opgewekt uit andere hernieuwbare bronnen, voornamelijk via windturbines en zonnepanelen. In totaal werd door al deze opwekkers 411 PJ ofwel 114.103 GWh aan elektriciteit opgewekt. Dit geeft een brandstoffactor voor het opwekken van elektriciteit van 6,1 MJ/kWh, voor elke kWh aan elektriciteit is 6,1 MJ aan brandstof nodig.

Voor het opwekken van elektriciteit wordt, bij verbranding van fossiele brandstoffen en van een deel van de overige brandstoffen, CO2 uitgestoten. De totale CO2 uitstoot van de elektriciteitsopwekking bedroeg 45 Mton voor het jaar 2018. Dit betekent een emissiefactor van 390 gr CO2/kWh, ofwel voor elke kWh aan opgewekte elektriciteit wordt 390 gr CO2 uitgestoten.

Een deel van de in Nederland geproduceerde grijze elektriciteit wordt groengewassen via Garanties van Oorsprong van buitenlandse groene stroom. Dit wordt hier niet in rekening gebracht. Een deel van de in Nederland gebruikte elektriciteit wordt geïmporteerd, een deel van de Nederlandse productie aan elektriciteit wordt geëxporteerd. Het saldo van import en export in 2018 was 8.000 GWh [CBS Statline]. Ook hier is geen rekening mee gehouden omdat de bron van de geïmporteerde elektrische energie sterk afhankelijk is van het moment van importeren.

Vergelijking personenauto's

In onderstaande tabel wordt het energieverbruik en de CO2 emissie van auto's met een verbrandingsmotor vergeleken met het energieverbruik en de emissie van elektrische auto's. Het energieverbruik en de emissie van elektrische auto's is bepaald via de hierboven genoemde brandstof- en emissiefactor.

Energieverbruik en emissie van auto's met verbrandingsmotoren en elektrische auto's
  Eenheid Fossiele auto's Elektrische auto's
Energieverbruik PJ 268 166
Emissie Mton CO2 20 11
Specifiek verbruik MJ/km 2,4 1,5
Specifieke emissie gr CO2/km 177 96
Energiebesparing %   38
Emissiereductie %   46

Het resultaat is dat een elektrische personenauto, ten opzichte van een personenauto met verbrandingsmotor, gemiddeld ongeveer een derde minder energie verbruikt. De uitstoot van CO2 wordt met bijna de helft gereduceerd. Rijden in een elektrische auto geeft een behoorlijke energiebesparing en een aanzienlijke reductie van de CO2 emissie ten opzichte van het rijden in een personenauto met een verbrandingsmotor. Dit wordt nog gunstiger naarmate er meer hernieuwbare elektriciteit wordt opgewekt. Bovenstaande besparingscijfers zijn gebaseerd op cijfers van 2018. In 2018 werd in totaal 67 PJ aan elektriciteit opgewekt uit hernieuwbare bronnen, in 2020 is dat inmiddels gestegen tot 116 PJ, de besparing van elektrische auto's wordt daarmee groter.

Batterijen

De elektriciteit voor het voeden van de elektromotor van een elektrische auto komt meestal uit een batterij. Bij een batterij wordt, tijdens het opladen, elektrische energie in de batterijcel chemisch opgeslagen. Wordt er energie aan de batterij onttrokken dan wordt deze chemische energie weer omgezet in elektrische energie, totdat alle energie verbruikt is. De batterij is dan leeg en moet opnieuw met elektrische energie worden opgeladen. Verschillende typen batterijen zijn geschikt voor opslag van elektriciteit. Het voordeel van een batterij voor voeding van elektromotoren is dat, bij gebruik van de auto, geen emissies vrijkomen. Ze dragen ter plaatse niet bij aan de CO2-emissie en omdat ze ook geen fijnstof en stikstofoxiden uitstoten dragen ze ook niet bij aan de luchtvervuiling door het verkeer. Nadelen van batterijen zijn het relatief hoge gewicht en de beperkte energie-inhoud. Ter vergelijking; benzine levert 46 MJ per kg gewicht, een lithiumbatterij levert maar 3 MJ per kg gewicht. Daarnaast kost het enige tijd voordat een batterij weer is opgeladen. In elektrische auto's worden vooral lithium batterijen gebruikt, omdat deze een hoge capaciteit bij een relatief laag gewicht hebben. De kosten van een batterij zijn de laatste jaren aanzienlijk gedaald, was in 1992 de prijs 6035 dollar per kilowattuur, in 2016 was dat gedaald tot 244 dollar. Tegelijkertijd is de energiedichtheid van de batterij gestegen van 213 wattuur per liter in 1991 naar 721 in 2018.

Overal in Nederland staan tegenwoordig laadpalen waar elektrische auto's kunnen worden opgeladen. Een nieuwe stap is gezet met het plaatsen van de eerste 'slimme' laadpalen die ook elektriciteit aan het net kunnen terug leveren als de elektriciteitsvraag hoog is. De batterijen in elektrische auto's worden dan een middel om een overvloed aan elektriciteit, uit wind- en zonne-energie, op te slaan in batterijen en die, op moment van een tekort aan elektriciteit, weer terug te leveren aan het elektriciteitsnet. Elektrische auto's kunnen op deze manier bijdragen aan het in balans te houden van het elektriciteitsnet.

Brandstofcellen

Een brandstofcel is net als een batterij een elektrochemische cel. Ook in een brandstofcel wordt chemische energie van een brandstof omgezet in elektriciteit. Bij een brandstofcel wordt de chemische energie echter voortdurend toegevoerd in de vorm van een brandstof. Zolang de toevoer van energie in stand wordt gehouden produceert de brandstofcel elektriciteit. Brandstofcellen hebben niet het nadeel van het hoge gewicht dat batterijen hebben. Bij gebruik in een personenauto hebben ze een relatief laag gewicht. De cel hoeft niet opgeladen te worden. De brandstof kan worden getankt aan de pomp net zoals dat nu gebeurt voor benzine, diesel of LPG. Als er waterstof wordt getankt dan gebeurt dat bij een hogere druk dan gebruikelijk bij LPG. Bij gebruik van waterstof als brandstof bestaat de emissie uit water. Als er voor de brandstofcel andere brandstoffen dan waterstof worden gebruikt dan bestaat de emissie voornamelijk uit CO2, de andere emissies zijn laag.

Biobrandstoffen

Een andere manier om de uitstoot van personenwagens en vrachtauto's klimaatneutraal te maken is het gebruiken van biobrandstoffen als brandstof voor de verbrandingsmotor. Daarbij wordt wel kooldioxide uitgestoten. Deze kooldioxide wordt echter door nieuwe aanplant weer vastgelegd in de gewassen die als basis dienen voor de biobrandstoffen. Het gebruik van biobrandstoffen biedt nog een aantal andere milieuvoordelen. Bij het gebruik van biodiesel in voertuigen is de verbranding beter. Dit leidt tot een lagere uitstoot van roet, koolwaterstoffen, koolmonoxide en aromaten. Biodiesel bevat bijna geen zwavel, de zwaveluitstoot is dan ook heel gering. In 2018 werd ongeveer 23 PJ aan biobrandstoffen, biobenzine en biodiesel, bijgemengd in de brandstoffen voor het wegverkeer [CBS Statline].

Vrachtwagens en bussen

Europese vrachtwagens en touringcars moeten vanaf 2025 hun CO2-uitstoot met 15% hebben verlaagd. Vanaf 2030 moet de uitstoot 30% lager zijn. Vanaf 2025 geldt ook de regel dat 2 procent van alle vrachtwagens, die de fabriek verlaten, emissievrij moet zijn. Deze regel dwingt fabrikanten om emissie-vrije aandrijflijnen te ontwikkelen. Voor regionaal transport zijn elektrische motoren gevoed door batterijen een goede optie; voor langere afstanden zijn dat vrachtauto's met een brandstofcel, gevoed door waterstof. Het bedrijf Holthausen Clean Technology gaat, eind 2021, de eerste van 1500 trucks met brandstofcellen leveren, die gevoed worden door waterstof. Een mogelijke tussenoplossing is een verbrandingsmotor die werkt op aardgas, biogas of waterstof. In Nederland worden tankstations neergezet waar vloeibaar aardgas kan worden getankt. Er zijn nu ongeveer 30 tankstations, met 40 is er een volledige landelijke dekking. Er rijden nu ongeveer 600 trucks op vloeibaar aardgas rond. In de nabije toekomst moet het aardgas geleidelijk aan worden vervangen door biogas, dat gemengd wordt met het aardgas. Er wordt verder gewerkt aan een netwerk van waterstoftankstations om op den duur over te kunnen gaan op waterstof als brandstof [Volkskrant].

Voor het openbaar vervoer met bussen heeft de regering 40 miljoen uitgetrokken als subsidie voor emissievrije bussen. Elektrische bussen zijn in bedrijf veel goedkoper, maar de aanschafprijs is veel hoger. De subsidie moet openbaarvervoerbedrijven overhalen om te investeren in emissievrije bussen. In 2021 is een op de vier bussen emissievrij, vanaf 2025 moeten alle nieuwe bussen emissievrij worden geleverd. In 2030 moet het complete openbare busvervoer emissievrij zijn [Volkskrant].

Scheepvaart

Het bedrijf Zero Emission Services gaat elektrische binnenvaartschepen voorzien van containers gevuld met batterijen. De batterijen in de containers worden opgeladen met groene stroom. Er hoeft niet gewacht te worden bij het opladen. Het schip vaart naar een halteplaats waar een container met volledig geladen batterijen klaar staat. Op de halteplaats wordt de container met de gebruikte batterijen uit het schip getakeld en vervangen door een container met volledig geladen batterijen. Het schip kan daarna meteen weer verder. De schipper betaalt niet voor de batterij maar voor de gebruikte elektrische energie. Een container kan 2 megawattuur energie bevatten, een gemiddeld binnenvaartschip kan daarmee 40 tot 60 km varen. Meer van deze containers laden levert een evenredig groter bereik [Volkskrant].

Luchtvaart

In de luchtvaart zijn batterijen voor grote vliegtuigen nauwelijks een optie omdat de energiedichtheid te laag is; de batterijen zijn te zwaar. De enige optie is om passagiersvliegtuigen te laten vliegen op hernieuwbare brandstof met een hoge energiedichtheid. Het onderzoekcentrum van Shell en het onderzoeksinstituut Differ zijn bezig met technieken om CO2 om te zetten in kerosine als vliegtuigbrandstof. KLM heeft inmiddels een lijnvlucht uitgevoerd waarbij de normale kerosine voor een klein deel was vervangen door kerosine uit CO2. Kleine vliegtuigen voor korte afstanden zijn wel geschikt voor elektrisch vliegen. Een aantal kleine elektrische vliegtuigen zijn in gebruik voor personenvervoer over korte afstanden [National Geographic], [Volkskrant].