TU Delft-student Remco Dirks over elektromotorinnovatie in zonneauto

Een ware slijtageslag. Zo mag de Marokkaanse zonnerace van oktober vorig jaar toch wel genoemd worden. De karavaan bestaande uit door studenten ontwikkelde en gebouwde, op zonne-energie aangedreven aerodynamische eenmanszitters verkaste wegens de coronapandemie van Australië naar Marokko. Dit nieuwe terrein bleek bijzonder uitdagend. Niet alleen door de weersomstandigheden en het soms drukke verkeer, maar vooral ook door het uitdagende landschap. Of zoals Remco Dirks, de huidige strateeg van het Brunel Solar Team, bestaande uit studenten van de TU Delft, het omschrijft: "Daar waren bergen zoals we die nog nooit hadden gezien." Dat speelde de Delftse Nuna 11-auto parten. Het team uit Delft werd uiteindelijk derde, maar moest Twente en Leuven voorlaten. Dit jaar is er een herkansing in Zuid-Afrika, waar de zonneauto's al vaker hebben geracet. De route van de tweejaarlijkse Sasol Solar Challenge 2022 gaat van Johannesburg naar Kaapstad. We spraken met Remco over de voor Zuid-Afrika doorontwikkelde Nuna 11s en welke vernieuwingen er zijn doorgevoerd.

Wat is precies jouw rol in het team?

"Als strateeg ben ik verantwoordelijk voor het zo optimaal mogelijk laten rijden van Nuna. Een goede zonneauto ontwikkelen is één, maar je moet ook efficiënt rijden. De accu mag niet leeg raken, je moet voorspellen hoeveel energie het rijden in de bergen kost en je wilt zorgen dat je in de zon rijdt. Ik bereid dat gedurende het jaar voor om zo goed mogelijk een race te kunnen rijden en onze auto zo optimaal mogelijk te gebruiken. Eerder deed ik ook de analyse voor de race in Marokko en heb ik veel tijd besteed aan de ontwikkeling van het nieuwe zonnepaneel."

Dus het weer speelt daar ook een belangrijke rol bij?

"Je moet rekening houden met de weersvoorspellingen, zoals de wolken, straling en of er wind tegen of mee is. Dat zijn allemaal factoren die belangrijjk zijn. Daar houden we rekening mee om op elk moment van de race de optimale snelheid te kunnen rijden met het model van de auto dat we hebben ontwikkeld. Het gaat er daarbij ook om waar je rekenkracht aan besteedt. Je kunt bijvoorbeeld
een ingewikkeld model maken, maar als het lang duurt om het uit te rekenen, heb je er ook niet zoveel aan, dan kun je niet snel iets aanpassen. Het model bereid je gedurende het jaar voor. Ook moet je er gevoel voor krijgen. Stel, we zien dat bepaalde waardes afwijken, dan wil je gevoel hebben
voor wat het betekent, hoe we het kunnen oplossen en wat het voor invloed heeft op de strategie."

Hoe uitdagend is het dat dit jaar niet het gehele parcours vooraf al bekend is?

"Dat is een enorme strategische uitdaging. In Zuid-Afrika is de blindstage toegevoegd. Normaal gesproken weten we exact hoe we rijden en hoe het parcours eruitziet, en kun je dat dus goed voorbereiden. Dit jaar hebben ze een halve blindstage en een hele blindstage toegevoegd. Ook kan het hele parcours van een dagetappe of een stuk van de dagetappe pas de avond ervoor bekend worden gemaakt. In ons geval is de blindstage op dag vijf. Dan hebben we ongeveer vier dagen geracet en energie gebruikt, zonder dat we weten hoe de etappe van dag vijf eruitziet. Ook daar moet ik rekening mee houden. Ik ben dat uitgebreid aan het voorbereiden om ervoor te zorgen dat we de eerste tot en met de vierde dag rondrijden met de onzekerheid van dag vijf."

Welke vernieuwing hebben jullie doorgevoerd bij de elektromotor?

"De meeste elektromotoren die nu in de industrie worden gebruikt, hebben één magneetring om de spoelen en onze motor heeft er twee. Daardoor maak je meer gebruik van het opgewekte magneetveld van je spoelen en heb je daarmee dus een betere motor. Dit is an sich geen nieuwe technologie, want er bestaan papers over die aangeven dat het de efficiëntie ten goede komt. Alleen het is echt moeilijk om dat goed te krijgen. Vooral het ontwerp ervan is lastig, want het zit allemaal heel dicht op elkaar doordat we gebruikmaken van twee airgaps. Allerlei ontwerpkeuzes konden niet op de conventionele manier, dus we hebben veel tijd besteed om de motor zo efficiënt mogelijk te krijgen, maar ook om de motor produceerbaar te laten zijn. Het unieke is dus de dubbele magneetring om onze spoelen heen, waardoor bij dezelfde stroom een groter magneetveld gebruikt kan worden en een grotere kracht mogelijk is."

Wat was specifiek het lastigste?

"De plaatsing van de spoelen ten opzichte van de dubbele magneetring. Door die dubbele magneetring krijgen we een dubbele airgap en dat is nog niet eerder gebruikt, maar komt wel de efficiëntie zeer ten goede. Je moet je voorstellen dat het gaat om heel sterke magneten die elkaar aantrekken. Een elektromotor wordt voortbewogen op het magneetveld. In de spoelen wek je ook weer een magneetveld op, waardoor de magneetringen worden aangetrokken en dan wordt de rotor voortgestuwd. Dat gebeurt met heel grote magneetkrachten door de twee ringen. Die twee ringen trekken elkaar ook aan. Een magneetveld wordt heel snel heel veel sterker als magneten bij elkaar komen. Als je motor mechanisch niet sterk genoeg is, zitten de magneetringen zo tegen elkaar aan, trekken ze elkaar aan en krijg je ze niet meer los. Daarbij spelen ook zaken als hoeveel spoelen je neemt en welke magneten je gebruikt. Dat moet ook allemaal ontwikkeld en bevestigd worden op een manier die nieuw is. Voor zover ik weet zijn wij het enige team dat de elektromotor op deze manier heeft ontwikkeld. Ik heb nog nergens een motor gezien die het ook zo doet, al betekent dat natuurlijk niet dat die niet bestaat."

Is deze vernieuwde elektromotor ook ontwikkeld om te laten zien wat er mogelijk is?

"Ons uiteindelijke doel is dat we de wereld willen inspireren op het gebied van duurzaamheid en innovatie en aan de wereld willen laten zien dat er doorontwikkeld kan worden. We hopen er ook mee te bereiken dat de auto-industrie ziet dat de elektromotoren die we nu hebben efficiënter kunnen en dat het ontwerp dat wij gebruiken ook mogelijk is. Wij zouden het supervet vinden als dit op een bepaald moment de nieuwe standaardelektromotor is. Voor personenauto's zal dat leiden tot een hogere efficiëntie, een grotere range en daarmee het verlagen van de belasting op het energienet. Al kan ik voor nu alleen kijken naar de efficiëntie in onze motor."

Wat verwachten jullie van jullie motorcontroller?

"We zijn al een tijd bezig met onze motorcontroller. Vorig jaar hebben we daarin grote stappen
gemaakt en hebben we er voor het eerst mee gereden. We hebben toen alle opties geanalyseerd en
hebben toen een ontwerp gekozen waarmee we dit jaar verder zijn gegaan wat ontwikkeling betreft. Het is zeker een voordeel dat we nu een eigen drivetrain aan het ontwikkelen zijn. Dan kan je alles tunen en afstemmen op elkaar en zelf aanpassingen doorvoeren op basis van de omstandigheden waar we gaan racen."

Wat is er vernieuwd op het gebied van accu's?

"In Marokko hebben we geracet met lithiumijzerfosfaataccu's, terwijl er eigenlijk gepland was voor racen in het vlakke Australië. Nu gebruiken we lithiumionaccu's. De energiedichtheid daarvan is een stuk hoger dan die van lithiumijzerfosfaat. Zo kunnen we 20kg besparen."

"Elk jaar worden er keuzes gemaakt op basis van raceminuten. Dat wordt gedaan op basis van een analyse van de races van de afgelopen jaren, de auto die er is en een voorspelling van het parcours waarin geracet gaat worden. Zo krijgen bijvoorbeeld een kilogram en de aerodynaische luchtweerstand een bepaalde waarde in raceminuten. Op basis van een analyse en voorspelling worden dan bepaalde afwegingen gemaakt. Voor elke race zijn die anders, omdat het parcours en de plek op aarde anders zijn. In ons geval bleek het technisch gezien een gunstigere keuze om met een lithiumionaccu te rijden."

Hoe belangrijk is het duurzaamheidsaspect bij jullie auto?

"Duurzaamheid is voor ons als team enorm belangrijk. Onze auto is veel lichter dan normale personenauto's. Daardoor gebruiken we minder materiaal en is onze luchtweerstand laag. We kunnen rijden op de energie die een tosti-ijzer gebruikt om een tosti te maken. De wereld moet beseffen dat we zuinig om moeten gaan met energie. We hebben maar één aarde en het kan allemaal een stuk efficiënter. Dat willen we aan de wereld laten zien en is voor mij een van de redenen om mee te doen met dit team."

Lithiumion in plaats van lithiumijzerfosfaat betekent wel de aanwezigheid van kobalt. Was dat geen obstakel?

"Ook dat nemen we mee in onze afwegingen. Het is balanceren in de keuzes die je maakt. Als je de auto een andere vorm geeft, is het gunstiger voor het zonnepaneel. En als je het weer een andere vormt geeft, is het misschien weer gunstiger voor de aerodynamica. Je maakt altijd afwegingen en daarin is er helaas nog geen perfecte optie."

Welke vernieuwing is doorgevoerd bij het op silicium gebaseerde zonnepaneel op de auto?

"Ons paneel is zo ontwikkeld dat we maximale inkomsten voor de race in Zuid-Afrika verwachten. Daarbij moet je denken aan een systeem dat hele stukken of kleine stukjes kan uitschakelen. Dat gaat automatisch door diodes. Die zorgen ervoor dat als een cel in de schaduw valt niet bij het hele paneel de efficiëntie achteruitgaat. Stel, je zou geen enkele diode gebruiken en alles in serie achter elkaar schakelen, en je legt één cel in de schaduw, dan zakken de inkomsten van het hele paneel. Als je de cellen op een goede manier schakelt en diodes gebruikt, wordt dat aanzienlijk verminderd.
Binnen een cel schakelen kan niet, maar we hebben 257 cellen, dus we kunnen vrij fijnmazig inspelen
op de omstandigheden."

Wat denken jullie te winnen met dit vernieuwde zonnepaneel ten opzichte van concurrenten en eerdere versies zonder de diodes en specifiek geschakelde cellen?

"Voor onszelf hebben we daar een goed beeld van, maar dat is niet iets dat we naar buiten kunnen
communiceren."

Hebben jullie voor dit jaar ook eigen keuzes gemaakt over de vorm van de auto, gelet op wat dat betekent voor de inkomsten bij het zonnepaneel?

"Ons paneel volgt de vorm van de auto. Die vorm is een afweging tussen aerodynamica en de inkomsten
van het paneel. Dus daar worden zeker keuzes in gemaakt. In Delft werken we altijd met een bouwjaar en een tussenjaar. Wij zitten in het tussenjaar, vandaar de s in Nuna 11s. Dus wij gaan de auto
optimaliseren voor onze race, maar bouwen geen geheel nieuwe auto. Dat maakt dat we in sommige zaken gelimiteerd zijn, zoals de bolling van het paneel. Dat kun je aanpassen, maar dan moet je ook weer andere onderdelen aanpassen. We zijn niet from scratch begonnen met het ontwerpen van een geheel nieuwe auto. Vorig jaar zijn er afwegingen gemaakt, zodat de bolling zowel goed is voor de aerodynamica als voor het paneel."

Terugkijkend op de race in Marokko, is het jullie duidelijk waar de resultaten tegenvielen?

"Ik was mee naar Marokko. Normaal gesproken racen we tijdens een bouwjaar in
Australië en daar is de hele auto ook op ontwikkeld. Pas in een vrij laat stadium werd duidelijk dat het
Marokko werd. De bergen waren ook een factor. We hebben al drie keer in Zuid-Afrika geracet en daar ook drie keer gewonnen, maar de bergen in Marokko waren heftiger dan we ooit hebben gezien. Dat had zeker impact. Het resultaat was teleurstellend, want we gaan altijd voor de winst. Dat heeft ons ook doen besluiten om een eigen motor te gaan ontwikkelen."

"We hebben dit jaar de taak gehad om de Nuna die in Marokko geracet heeft helemaal klaar te stomen voor Zuid-Afrika. Daarbij kijk je wat je kan doen binnen de tijd en mogelijkheden die je hebt. Met de
raceminuten kijk je waar de winst te behalen valt. Daarmee denk ik dat we onze auto goed hebben
klaargestoomd. De race in Zuid-Afrika is wat minder extreem dan die in Marokko en vergelijkbaar met wat we eerder hebben gereden. De route gaat altijd van Johannesburg naar Kaapstad. Er zitten 2000 hoogtemeters in, maar Johannesberg ligt hoger dan Kaapstad, dus je daalt meer dan je stijgt. Het is bergachtiger dan Australië, maar de bergen zijn minder groot dan in Marokko."