Op één acculading naar Zuid-Frankrijk

Over aerodynamica, accutech en auto-obesitas

Welke zaken zijn bepalend voor het verbruik?

Voor ieder type auto, ongeacht de aandrijflijn, zijn er verschillende factoren die invloed hebben op de benodigde energie om de auto in beweging te krijgen. Het feit dat auto's steeds groter worden, heeft logischerwijs een negatief effect. Op deze pagina bespreken we de trends en technieken die hierop ook van invloed zijn.

De Lightyear 0 in een windtunnel

Aerodynamica

Aerodynamica speelt een belangrijke rol bij het verminderen van het energiegebruik. In een windtunnel kunnen de luchtstromen rondom de objecten van een nieuw auto-ontwerp geanalyseerd worden. Luchtweerstand is de kracht die een bewegend object in de lucht ondervindt en werkt tegen de bewegingsrichting van dat object in. Deze kracht wordt bepaald door het frontale oppervlak, de aerodynamische vorm van de auto en de snelheid waarmee het voertuig zich verplaatst. Het doel van een windtunneltest is om de luchtweerstand te minimaliseren en de energie-efficiëntie te verbeteren door aanpassingen te doen aan het auto-ontwerp.

Een van de belangrijkste factoren in de aerodynamica is de eerdergenoemde weerstandscoëfficiënt, ook bekend als de C_w-waarde. Deze waarde geeft de aerodynamische efficiëntie van een voertuig weer: hoe lager de C_w-waarde, hoe minder luchtweerstand het voertuig ondervindt. Auto’s met een lagere C_w-waarde gebruiken minder energie om dezelfde snelheid te behouden, wat resulteert in een verhoogde brandstofefficiëntie.

Een gestroomlijnd carrosserieontwerp, gladde oppervlakken en geïntegreerde onderdelen zoals deurgrepen en spiegels, helpen om de luchtstroom langs de carrosserie te optimaliseren en zo de luchtweerstand te verminderen. Dat is vooral goed te zien bij sportwagens, zoals de Porsche 911 of Taycan, die een lage C_w-waarde combineren met hoge prestaties.

Niet alle ontwerpkeuzes zijn gunstig voor de aerodynamica. Suv’s en cross-overs hebben door hun hogere carrosserie een groter frontaal oppervlak en meestal ook een hogere C_w-waarde, wat leidt tot een hogere luchtweerstand en dus een hoger energiegebruik.

Een VW Golf uit 1974 vergeleken met een Aiways U5-suv uit 2016. Bron: Carsized

Trend: auto's worden steeds groter

VS en pick-ups

Hoewel de aanzienlijke toename in omvang een wereldwijde trend is, valt het in Europa en de rest van de wereld nog mee in vergelijking met Amerika. Daar is de auto het primaire vervoermiddel voor veel mensen, vooral buiten de grote steden. Drive-throughs, waarbij automobilisten hun voertuig niet eens uit hoeven, zijn daar zeer gebruikelijk. Deze zijn niet alleen in zwang voor fastfood, maar ook voor alcoholische dranken, postpakketten, apotheken en zelfs voor het ophalen van voedselpakketten. Bovendien zijn pick-uptrucks daar zeer gebruikelijk voor personenvervoer. Het gewicht van dat type auto is tussen 1990 en 2021 toegenomen met 32 procent. Volgens Axios blijkt uit onderzoek dat twee derde van de pick-upbezitters hun voertuig nooit gebruikt om iets te trekken en een derde nooit iets in de laadbak vervoert. Het zou vooral een statussymbool zijn voor onafhankelijkheid. Sinds enkele jaren zijn er ook elektrische pick-ups; die onderscheiden zich met hun enorme vermogen, maar hebben hetzelfde nadeel: door hun vorm en gewicht vereisen ze een groot accupakket voor een fatsoenlijk bereik.

Autofabrikanten produceren steeds grotere auto's, vooral suv's. Deze sport utility vehicles zijn, ondanks wat hun naam doet vermoeden, doorgaans weinig sportief. Ze kenmerken zich door een hoge instap en een verhoogd gevoel van veiligheid. Deze eigenschappen zijn echter niet zonder gevolgen. Suv’s wegen gemiddeld 200 tot 300kg meer dan een gemiddelde middelgrote auto en nemen meer ruimte op straat in beslag. Bovendien gebruiken ze veel meer energie.

In een rapport van de IEA uit mei 2024 staat: "Als suv's een land zouden zijn, dan zouden ze op de vijfde plek staan qua CO₂-uitstoot." Uit hetzelfde rapport blijkt dat dit voor een auto met een verbrandingsmotor resulteert in ongeveer 20 procent meer uitstoot van koolstofdioxide (CO₂) ten opzichte van een vergelijkbare sedan. Wegtransport is verantwoordelijk voor ongeveer 24 procent van alle CO₂-uitstoot in de EU; het is de enige sector waar de uitstoot de afgelopen decennia niet is gedaald. De groei van het aantal suv's zou de vooruitgang die is geboekt met zuinigere en schonere verbrandingsmotoren grotendeels tenietdoen. In 2022 waren suv's wereldwijd goed voor 46 procent van alle autoverkopen, waarbij vooral in de VS, India en Europa een sterke groei te zien was.

Het is belangrijk te benadrukken dat er grote verschillen bestaan tussen suv's en cross-overs. Modellen zoals de Hyundai Kona, de Kia Niro of de Tesla Model Y zijn met een C_w van 0,27 (in het geval van de Hyundai en de Kia) en 0,24 (in het geval van de Tesla) behoorlijk aerodynamisch en kunnen als zeer zuinig worden beschouwd. De toegenomen hoogte zorgt echter wel voor een groter frontaal oppervlak. Ter vergelijking: de Ford F-150 Lightning-pick-up heeft een C_w van 0,56 en weegt 2990kg. Met een netto accucapaciteit van 131kWh bereikt deze een afstand van ongeveer 483km (volgens de EPA) of 515km (volgens de WLTP) op één acculading. Dit komt neer op een gemiddelde van ongeveer 270Wh/km.

IEA: "Als suv's een land zouden zijn, zouden ze op de vijfde plek staan qua CO₂-uitstoot."

Velgen en banden

Bandenspanning

De bandenspanning speelt ook een rol in de efficiëntie. Correct opgepompte banden zorgen voor een optimaal contact met de weg, wat de rolweerstand vermindert. Een te lage bandenspanning verhoogt de rolweerstand aanzienlijk, wat leidt tot een hoger energiegebruik en een verminderd bereik. Bijvoorbeeld, een drukverlaging van 20 procent kan de rolweerstand met 40 procent verhogen. Dit heeft een merkbare impact op het energiegebruik van het voertuig en kost naar schatting acht procent van de actieradius.

Velgen en banden hebben ook een aanzienlijke impact op het energiegebruik. Grote lichtmetalen velgen en brede banden worden door veel mensen als mooi beschouwd en veel autofabrikanten bieden ze automatisch aan als upgrade bij aankoop van een luxere uitvoering van een model. Maar dit heeft een negatieve invloed op het energiegebruik, afgezien van het eventueel verminderde comfort op een slecht wegdek. Vanuit energetisch oogpunt zijn kleinere velgen beter voor het verbruik en hebben dichte velgen de voorkeur boven open exemplaren. Dichte velgen helpen de luchtstroom te stroomlijnen, waardoor de luchtweerstand afneemt. De 18"-Aero Wheels-velgen van een Model 3 zouden tien procent meer bereik bieden dan de luxere 19"-sportvelgen.

Ook de maat van de banden speelt een rol. Brede banden hebben een groter contactoppervlak met de weg, wat de grip verbetert, maar de rolweerstand verhoogt. Dit kan leiden tot een hoger energiegebruik en verminderd bereik. Smalle banden daarentegen verminderen de rolweerstand en verbeteren de aerodynamica. Banden ontworpen voor EV's gebruiken vaak een speciale rubbercompound, zoals silica, die de rolweerstand verlaagt zonder afbreuk te doen aan de grip. Een voorbeeld hiervan zijn de Michelin Energy Saver-banden.

Het meten van de luchtstroom

Andere factoren die invloed hebben

Andere elementen die de luchtstroom en aerodynamica van auto’s negatief beïnvloeden, zijn onder andere dakkoffers, uitstekende deurhandgrepen en het type elektromotor. Veel instapmodellen van EV's hebben een enkele elektromotor, meestal op de achteras, maar soms ook op de vooras. Het gebruik van een enkele motor vermindert de complexiteit en het gewicht van het voertuig, wat resulteert in een verbeterde energie-efficiëntie. Dit is vooral voordelig bij stadsritten en lagere snelheden. Twee elektromotoren, een op iedere as, biedt vierwielaandrijving met betere tractie en rijstabiliteit, vooral in uitdagende omstandigheden zoals regen of sneeuw. Deze configuratie verhoogt echter doorgaans het energiegebruik vanwege het extra gewicht en de verhoogde wrijvingsverliezen in het aandrijfsysteem. Ook het vermogen van de elektromotors speelt een rol; motors met een hoger vermogen bieden doorgaans hogere snelheden en snellere acceleratie, maar gebruiken ook meer energie.

Buitenspiegels die ver uitsteken of onnodig groot zijn, veroorzaken turbulentie, wat de luchtweerstand verhoogt. Digitale spiegels kunnen een positieve impact hebben, maar daar staat tegenover dat er schermen aan de binnenkant van het voertuig gemonteerd worden. Deze schermen staan altijd aan en kunnen minder prettig in gebruik zijn. Deurhandgrepen die uitsteken, beïnvloeden de zijwaartse luchtstroom nadelig. Daardoor zien we steeds vaker gestroomlijnde deurhandgrepen die in de carrosserie verzinken.

Er zijn meer factoren die de aerodynamica kunnen beïnvloeden. Zo kan een lage of onregelmatige bodemplaat de luchtstroom onder het voertuig verstoren, wat tot extra turbulentie en weerstand kan leiden; een vlakke afdekplaat is daarom beter. Dakkoffers vergroten het frontale oppervlak van een voertuig en verstoren de luchtstroom bovenop, wat resulteert in een hoger brandstofverbruik. Dakrails hebben een vergelijkbaar effect door hun positie op het dak, wat de aerodynamica verslechtert.

Snelheid

Iets dat niets met het ontwerp van een auto te maken heeft, maar minstens zo belangrijk is voor het energiegebruik is de snelheid. De luchtweerstand neemt kwadratisch toe met de snelheid, wat betekent dat rustiger rijden op de snelweg een groot effect heeft op het gebruik. Laten we weer een Toyota Prius en een Tesla Model 3 als concreet voorbeeld nemen.

Uitgaande van een luchtweerstandscoëfficiënt van 0,24 en een frontaal oppervlak van 2,2m² voor de Prius, verbruikt deze bij een snelheid van 100km/u ongeveer 4,5 liter brandstof per 100km. Dat verbruik stijgt tot 7 liter per 100km bij een snelheid van 130km/u. Hetzelfde effect zien we bij de Tesla Model 3, met een C_w van 0,23 en een frontaal oppervlak van 2,22 m². De Model 3 verbruikt bij een snelheid van 100km/u ongeveer 150Wh/km, terwijl dit verbruik stijgt naar 220Wh/km bij 130km/u. Kortom, 130km/u rijden kost ongeveer 45 tot 55 procent meer energie.

• Volgende pagina 3. Mercedes Vision EQXX, Lightyear en anderen