Nieuwe aandrijfvormen voor auto's. Private en vermeden externe kosten

Abstract

De westerse maatschappij wordt geconfronteerd met een energieproblematiek die twee oorzaken kent. Enerzijds is er de opwarming van de aarde, een onderwerp dat de laatste tijd bijna dagelijks in de media komt, en anderzijds is de westerse wereld sterk afhankelijk van de olie-import vanuit enkele politiek instabiele landen. Bovendien zijn de fossiele brandstoffen uitputbaar. Deze problematiek weerspiegelt de noodzaak om op zoek te gaan naar alternatieve brandstoffen. Het broeikaseffect wordt veroorzaakt door de uitstoot van broeikasgassen, waarvan CO2 het belangrijkste is. Om de opwarming van de aarde tegen te gaan werd internationaal het Kyotoprotocol ondertekend, waarin de landen die het ondertekenden zich ertoe verbonden om de uitstoot van zes broeikasgassen te verminderen. Inspanningen om de emissies van deze zes broeikasgassen - CO2 (koolstofdioxide), N2O (lachgas), CH4 (methaan) en fluorverbindingen, namelijk PFK’s, HFK’s en SF6 – te verminderen dienen in alle sectoren te gebeuren. Zowel de bouwsector, de industrie, de landbouw, de gezinnen als de transportsector dienen hun steentje bij te dragen. Omdat het probleem zeer breed is, wordt het verder afgebakend tot de transportsector en meer bepaald tot de personenwagens. De fossiele energiebronnen zijn eindig en zouden over enkele decennia uitgeput kunnen zijn. Bovendien brengt het gebruik van deze fossiele brandstoffen gevolgen met zich mee op ecologisch en economisch vlak. Het gebruik van de wagen wordt meer in detail bekeken. De uitlaatgassen bevatten verschillende schadelijke stoffen die een invloed hebben op de menselijke gezondheid en op het milieu. Niet alleen de opwarming van de aarde, maar ook zure regen, ozon- en smogvorming behoren tot deze milieu-effecten. Auto’s zijn bovendien verantwoordelijk voor een groot deel van de lawaaihinder die de Vlaamse bevolking ondervindt en ze nemen ruimte in beslag. De meeste verkeersemissies volgen een dalende trend, enkel CO2 volgt die evolutie niet. Dit neemt niet weg dat de verschillende schadelijke componenten zoals fijn stof en NOx-uitstoot zich nog een heel stuk boven hun doelwaarde bevinden. Er moeten bijgevolg nog inspanningen geleverd worden. Het gebruik van de wagen brengt verschillende effecten met zich mee waar de weggebruiker bij de keuze van zijn transportmiddel geen rekening mee houdt. Deze effecten hebben echter wel een invloed voor de rest van de maatschappij en worden externe effecten genoemd. Deze effecten moeten geïnternaliseerd worden zodat het echte maatschappelijke optimum kan bereikt worden. Anders wordt er teveel gereden. De marginale externe kosten worden bekeken, de externe kosten die worden veroorzaakt doordat er een bijkomende voertuigkilometer gereden wordt. De eerste categorie zijn de marginale externe congestiekosten. Een bijkomende weggebruiker zorgt ervoor dat de tijdskosten van de andere weggebruikers toenemen en hun snelheid daalt. In spitsuren zijn de externe congestiekosten groter dan in daluren en in stedelijke gebieden zijn ze hoger dan op het platteland omdat er dan meer mensen door de vertragingen getroffen worden. Een tweede groep externe kosten zijn de marginale externe ongevalkosten. Deze bestaan uit de kosten verbonden aan het eigen ongevalrisico, de kosten verbonden aan de verandering van de gemiddelde ongevalkosten voor de andere weggebruikers en de aanpassingskosten die andere weggebruikers dragen. In België liggen deze hoger dan in het buitenland door het grotere gevoel van onveiligheid dat de mensen hier hebben. Vervolgens zijn er de marginale externe milieukosten. De belangrijkste conclusies in verband met de externe milieukosten zijn dat deze kosten significant zijn, afhankelijk van de locatie (in de stad zijn de externe milieukosten veel hoger dan op het platteland), de technologie en de brandstof. Er moet echter rekening gehouden worden met een aanzienlijke onzekerheid. Ook lawaaihinder, plaatsgebruik, geurhinder en lichthinder van het vervoer veroorzaken externe kosten. Om de externe kosten te internaliseren kunnen er verschillende pistes gevolgd worden. De beste manier om dit te realiseren is een integrale aanpak, door zowel van brandstofbelastingen gebruik te maken als een gedragsverandering bij het publiek trachten te verwezenlijken of subsidies toe te kennen aan het onderzoek naar alternatieven. Een onderdeel van de externe milieukosten zijn de kosten van de klimaatverandering veroorzaakt door de uitstoot van broeikasgassen. Het Kyoto-protocol is een eerste stap naar het doel om gevaarlijke menselijke inmenging in het klimaatsysteem te voorkomen. Het schrijft kwantitatieve beperkingen voor de deelnemende landen voor. Zo moet België in de periode 2008 tot 2012 de broeikasgasemissies met 7,5 % verlagen. Het Protocol trad in februari 2005 in werking. Om de uitstootreducties te verwezenlijken op een kosten-effectieve manier, definieert het Kyoto-protocol drie innovatieve flexibiliteitmechanismen. Het Clean Development Mechanisme laat toe dat deelnemende Annex I-landen projecten implementeren in niet-Annex I-landen dewelke hun emissies verlagen. Een tweede mechanisme is de Joint Implementation waarbij een deelnemend Annex I-land projecten uitvoert om de emissies van een ander Annex I-land te doen dalen. Aan beide mechanismen is wel een grote administratieve kost verbonden omdat steeds de referentiesituatie moet gemeten worden en de verandering van de situatie door uitvoering van het project. De vermindering van de uitstoot moet dus gekwantificeerd worden. Ten slotte kunnen de deelnemende landen gebruik maken van Emission Trading of de handel in emissierechten. Landen die nog overschot hebben voor ze hun quotum halen kunnen rechten verkopen aan landen die hun quotum overschrijden. Er heerst grote onzekerheid rond wat de kost zal zijn wanneer er niets aan de hoge CO2-uitstoot wordt gedaan en wat de precieze impact van uitstootreducties is. De voordelen ervan zijn onduidelijk en ontastbaar. Bovendien reikt het probleem van de opwarming van de aarde verder dan de ambtstermijn van regeringen. Deze aspecten bemoeilijken het opstellen van een internationaal akkoord. De transportsector kent de laatste jaren een stijging van de broeikasgasuitstoot. De CO2 die door personenwagens werd uitgestoten tussen 1995 en 2003 nam toe met 30 %. De Europese auto-industrie neemt het vrijwillig op zich om de CO2-uitstoot van nieuwe auto’s te verminderen door tegen 2008 een doel van 140 g/km vast te stellen. De verdieselijking van het wagenpark heeft reeds geleid tot een daling van de CO2-uitstoot, maar de toename van het aantal wagens werkt deze daling tegen. Ook een stijging van het voertuiggewicht en een toename van het energieverbruik door een aantal opties zoals airconditioning verhogen de emissie van CO2 dan weer. Dieselwagens stoten dan weliswaar minder CO2 uit dan benzinevoertuigen, maar hebben dan weer andere schadelijke effecten die meer uitgesproken zijn dan bij benzinewagen zoals de emissie van fijn stof. Over het algemeen genomen zijn dieselwagens veel slechter voor het milieu dan benzinewagens. Wanneer alternatieve brandstoffen worden bekeken, blijkt dat aardgas een lage uitstoot heeft van verschillende vervuilende stoffen, maar relatief veel onverbrande methaan uitstoot, wat een belangrijk broeikasgas is. Waterstof kan uit zowat elke primaire energiebron gewonnen worden. De productie kan gebeuren met behulp van elektrolyse, wat het potentieel biedt om tot een echte nuluitstoot te komen wanneer hernieuwbare bronnen zoals zon- of windenergie gebruikt worden. Elektrolyse is zeer energie-intensief en momenteel nog duur. De meest gebruikte methode om waterstof te produceren is op dit moment stoomreformatie van aardgas. Wanneer de huidige elektriciteitsmix gebruikt wordt voor de elektrolyse zorgt dit procédé voor een hogere uitstoot van broeikasgassen dan de reformatie van aardgas. Ook uit biomassa kan waterstof verkregen worden. De grote uitdaging voor transporttoepassingen op basis van waterstof is hoe men genoeg waterstof kan opslaan in een voertuig om het voldoende autonomie te verlenen. Bovendien moet er rekening gehouden worden met beperkingen op het vlak van kost, gewicht, volume, efficiëntie en veiligheid. Het probleem is dat waterstof een zeer kleine energie-inhoud per volume-eenheid bezit. Het moet dus opgeslagen worden onder zeer hoge druk of vloeibaar gemaakt worden waarvoor veel energie nodig is omdat waterstof pas bij -253 °C of 20 K vloeibaar wordt. Bij het vloeibaar maken zou dan ook 30 % van de energie-inhoud verloren gaan. Metaalhydrides, chemische hydrides en koolstofnanotubes zijn opslagtechnieken waar veel onderzoek naar gebeurt. Ook de distributie van waterstof zorgt momenteel nog voor problemen door de vluchtigheid van waterstofgas. Door de kleine atomen gaat het gemakkelijk lekken. Bovendien zijn er zeer grote investeringen vereist wanneer men een tankinfrastructuur wil uitbouwen. Maar wanneer er onvoldoende voertuigen op waterstof zijn, wil niemand deze investeringen doen. Indien er echter geen tankinfrastructuur is, wil men geen waterstofwagens – hetzij met een verbrandingsmotor, hetzij gebruik makend van een brandstofcel – op grote schaal produceren omdat ze nergens van brandstof kunnen worden voorzien. Het vraagstuk van de kip of het ei speelt hier mee. Elektriciteit kan veel efficiënter rechtstreeks gebruikt worden dan opgeslagen te worden onder de vorm van waterstof. Bijna alle autoconstructeurs houden zich bezig met het onderzoek naar het gebruik van waterstof in personenwagens en de ontwikkeling van prototypes. Zowel de waterstofverbrandingsmotor als de brandstofcel krijgen de nodige aandacht. Ook biobrandstoffen bieden mogelijkheden tot de vermindering van de uitstoot van broeikasgassen en schadelijke stoffen. In België wordt men echter geconfronteerd met een beperkt landbouwareaal. Om één wagen een jaar te laten rijden, is een hectare landbouwgrond nodig. De elektrische wagen biedt ook mogelijkheden tot een nuluitstoot van broeikasgassen of schadelijke stoffen, maar heeft slechts een zeer beperkte autonomie. De batterijen zijn nog relatief groot, zwaar en duur. Deze wagen is wel veel efficiënter dan een benzinewagen. Remenergie kan gerecupereerd worden en wanneer het voertuig stilstaat wordt de motor gewoon uitgezet. De hybride wagen overwint het nadeel van de lage autonomie, maar maakt wel nog gebruik van benzine of diesel. Deze kan ook remenergie recupereren en zorgt voor een daling van de emissies en het brandstofverbruik. Ook een brandstofcel zorgt ervoor dat er elektrisch kan gereden worden en heeft een veel hogere efficiëntie dan een benzinewagen. Een brandstofcel kan ingezet worden voor decentrale elektriciteitsproductie en kan altijd gebruikt worden omdat men niet afhankelijk is van de zon of de wind bijvoorbeeld. De milieuvriendelijkheid is volledig afhankelijk van de manier waarop de gebruikte waterstof geproduceerd werd. Er zijn verschillende soorten brandstofcellen, maar de PEM of Proton Exchange Membrane wordt het meest gebruikt in transporttoepassingen doordat ze een lage opstarttemperatuur heeft. De beschouwde autoconstructeurs gebruiken allemaal een PEM-brandstofcel voor hun personenwagens. De opslag en distributie van waterstof evenals de verbetering van brandstofcellen en waterstofverbrandingsmotoren zijn het voorwerp van heel wat onderzoek. Voordat brandstofcellen gecommercialiseerd kunnen worden moeten vooral de kost, het gewicht en de grootte van de brandstofcellen verminderd worden. Betrouwbaarheid en levensduur moeten aangetoond en verzekerd worden. Jammer genoeg is er een trade-off tussen de verschillende factoren die nog moeten geoptimaliseerd worden. Wanneer men de levensduur wil verlengen is er bijvoorbeeld meer platina nodig, waardoor de kost stijgt. Voor integratie in het voertuig en voor minimalisatie van de kosten, tracht men de grootte en het gewicht van de brandstofcel te verlagen, terwijl men voor een minimaal brandstofverbruik een maximale efficiëntie moet bereiken. Helaas, wanneer men de efficiëntie wil verbeteren, nemen ook de grootte, het gewicht en de kost van het systeem toe. Welke de aandrijftechnologie van de toekomst wordt, is afhankelijk van de evoluties die zullen gebeuren op het vlak van de verschillende technologieën. Wanneer de efficiëntie van batterijen sterk verbetert, zullen elektrische wagens meer succes hebben en de brandstofcelwagen misschien zelfs verdrijven. De mogelijke milieuvriendelijke alternatieven worden, na een kwalitatieve analyse, ook kwantitatief beoordeeld. De verschillende aandrijfvormen worden bekeken in vergelijking met een Euro 4- benzinevoertuig dat als referentie dienst doet. Elk alternatief wordt beoordeeld op het vlak van zijn kosten en de externe milieukosten die vermeden worden door het alternatief in kwestie te gebruiken in plaats van het benzinevoertuig. Enkel de elektrische wagen en de hybride wagen zijn alternatieven die rendabel zijn ten opzichte van de benzinewagen wanneer er geen rekening gehouden wordt met belastingen of accijnzen. Hun totale kost, verminderd met de externe milieukosten die vermeden worden door niet de benzinewagen te gebruiken, zijn kleiner dan de totale kost voor het benzinevoertuig. Dit geldt zolang de onderhoudskost van de hybride wagen niet veel hoger wordt dan die van de benzinewagen. De brandstofcelwagen is het duurste alternatief. Dit is samen met de wagen met een waterstofverbrandingsmotor het enige alternatief dat zelfs niet rendabel wordt wanneer er rekening gehouden wordt met de belastingen en accijnzen op benzine en de belastingsvermindering bij aankoop van een voertuig met een CO2-uitstoot minder dan 105 g/km respectievelijk tussen 105 en 115 g/km. Alle andere alternatieven, namelijk de wagen op aardgas of LPG en de wagen op biobrandstoffen, zijn dan wel rendabel in vergelijking met de benzinewagen. Dat al deze alternatieven dan rendabel worden kan een verantwoording zijn om op deze wagens geen verkeersbelasting en geen accijnzen op de brandstof te heffen. Behalve de subsidie op de aankoopsom van een wagen met een lage CO2-emissie zijn er geen andere subsidies nodig. De subsidie op de aankoopsom van de wagens met een lage CO2-emissie zou wel beter gedifferentieerd worden, bijvoorbeeld een evenredige toename van de subsidie naargelang de emissie daalt ten opzichte van 105 g/km of op basis van de totale vermeden externe milieukosten. In deze scenario’s wordt zelfs de brandstofcel bijna een rendabel alternatief. Een toekomst met waterstof is misschien dus toch niet zo onrealistisch. Zeker de waterstofverbrandingsmotor lijkt veelbelovend, zowel kwantitatief als kwalitatief. Maar ook de brandstofcel zou wel eens niet zo ver gegrepen kunnen zijn.