Rudolf Diesel zei in de jaren 1880: “De automotor zal er komen, en dan zal ik mijn levenswerk als voltooid beschouwen.” Hij wist duidelijk hoe belangrijk zijn uitvinding was. Maar welk oordeel men ook mag vellen over het levenswerk van Diesel, de dieselmotor zelf was verre van af. Ten eerste waren zijn vroegste motoren slechts 26% efficiënt. Maar dat was lang, lang geleden.
De potentiële efficiëntie van de dieselmotor is een hot topic in 2015, meer dan een eeuw later. Dit komt omdat de Amerikaanse EPA en NHTSA de mogelijke strengheid van nieuwe efficiëntievoorschriften voor dieselmotoren beoordelen als onderdeel van het “fase 2”-voorstel voor zware bedrijfsvoertuigen. De federale agentschappen hebben de bevoegdheid om de motoren van zware bedrijfsvoertuigen te reguleren om de maximaal haalbare verbetering te bereiken en normen vast te stellen die technologie afdwingen, rekening houdend met de kosten van naleving, doorlooptijd van de technologie en andere overwegingen.
Moderne dieselmotoren met compressieontsteking domineren de commerciële vrachtwagenindustrie met efficiënte motoren die ongeveer 43%-44% van de brandstofenergie omzetten in motorarbeid, gebaseerd op 2013-2014 gecertificeerde motoren. Om aan de bestaande efficiëntie- en koolstofvoorschriften te voldoen, zullen trekkermotoren hun brandstofverbruik en CO2-uitstoot van 2010 tot 2017 waarschijnlijk met 6% verminderen, of ruwweg 1% per jaar. De vraag van dit moment is hoeveel efficiënter dieselmotoren zullen worden in de volgende fase van de regelgeving, van 2017 tot en met het tijdsbestek 2024-2027.
In het voorstel van EPA/NHTSA van juni zouden dieselmotoren hun brandstofverbruik en CO2-uitstoot per arbeidseenheid met 4,2% verminderen van 2017 tot en met 2027. De definitieve normen zouden waarschijnlijk nog drie jaar van kracht blijven, zodat de normen tot 2029 of 2030 zouden gelden. Dit zou betekenen dat de CO2-uitstoot van motoren tot 2030 met gemiddeld 0,3% tot 0,4% per jaar zou worden verminderd. Hoe verhoudt zich dit tot andere cijfers die er zijn?
- De fabrikant van trekkermotoren met het grootste volume, Cummins, geeft aan dat motoren een vermindering van het brandstofverbruik van 9%-15% kunnen bereiken ten opzichte van 2017, binnen het tijdsbestek 2020-2030.
- Een motoranalyse met onderzoekers van de West Virginia University (WVU) geeft aan dat trekker-aanhangwagendieselmotoren met meer dan 10% kunnen verbeteren ten opzichte van een basislijn van 2017 in het tijdsbestek van 2020 en daarna.
- Werk door het Southwest Research Institute voor NHTSA geeft aan dat het brandstofverbruik van dieseltrekkermotoren met 4%-7% kan worden verminderd – en tot 8%-10% met warmteterugwinning – ten opzichte van een basislijn van 2019 binnen het tijdskader van fase 2.
- Teams onder leiding van Cummins, Daimler, Navistar en Volvo hebben motorverbeteringen van 12%-17% aangetoond ten opzichte van een basislijn van 2010. Deze U.S. DOE SuperTruck-teams bereiken daardoor een thermisch remrendement van ongeveer 50%-51% tijdens piekomstandigheden.
- Het vervolgdoel van het SuperTruck-programma zou verder gaan, met een thermisch remrendement van 55% in piekomstandigheden.
U kunt zich afvragen wat Rudolf Diesel gedacht zou hebben, te weten dat de nieuwste dieselinnovaties in staat zouden zijn het rendement van zijn eerste dieselontwerpen te verdubbelen?
De onderstaande figuur illustreert de bestaande normen voor 2014-2018, de voorgestelde normen voor 2017-2027 en het technologiepotentieel van een grotere inzet van technologie op basis van de hierboven genoemde WVU-studie in grammen CO2 per rem-pk-uur. Het technologiepotentieel in de figuur suggereert dat trekkermotoren tot 7% verbetering kunnen bereiken door incrementele efficiëntietechnologie met de penetratie van het “2020+”-motorpakket van de WVU-studies (d.w.z. verbeteringen door wrijvingsreductie, parasieten, turbolading, nabehandeling, verbrandingsoptimalisatie en geavanceerde controles). Dit potentieel van deze incrementele technologieën is ongeveer het dubbele van wat de bureaus in de voorgestelde regel voor 2027 hebben opgenomen.
Daarnaast houden we in de analyse in de figuur rekening met een grotere penetratie van geavanceerde motortechnologieën. Met een grotere penetratie van de incrementele 2020+-technologieën en een penetratie van 15% van het afvalwarmteterugwinningssysteem (WHR) van de organische Rankine-cyclus (zoals verondersteld door de bureaus), is een CO2-verbetering van 10% in 2027 voor de hele vloot haalbaar. Met een grotere penetratie van WHR- en U.S. DOE SuperTruck-technologieën is het technologiepotentieel nog hoger. Uit de resultaten blijkt dat aanzienlijk lagere CO2-emissies dan de voorgestelde EPA-NHTSA-normen technisch haalbaar zijn in het tijdskader 2025. Het uiteindelijke technologiepotentieel voor het hele wagenpark zou redelijkerwijs kunnen voldoen aan de efficiëntie van de US DOE SuperTruck-demonstraties van 2014-2016 in het tijdsbestek 2030.
US fase 1 (2014-2017) en voorgestelde fase 2 (2018-2030) regelgevingsnormen, technologisch potentieel, technologisch potentieel met verhoogde terugwinning van afvalwarmte (WHR), en U.S. DOE SuperTruck-demonstraties.
Het hangende besluit van de VS over de normen voor motoren zou wel eens de enige echte actie kunnen zijn om de efficiëntie van dieselmotoren de komende 10-15 jaar substantieel te verbeteren. Er valt dan ook veel voor te zeggen om de technologie zo ver door te voeren als haalbaar is op basis van opkomende efficiëntietechnologieën. En het besluit heeft ruimere implicaties voor de wereldwijde innovatie, aangezien dezelfde bedrijven overal dezelfde motoren verkopen. Ook India overweegt efficiëntienormen voor zijn zware motoren. Dezelfde hoogrendementsmotoren zouden de dieselvrachtwagens in China, Europa, Mexico en elders kunnen aandrijven als deze regio’s het voorbeeld volgen met soortgelijke, steeds strengere voorschriften.