Spelingsarme tandwielkasten, tandheugels en rondsels

Met kortsluitankermotor op zonne-energie naar de Zuidpool


Edwin ter Velde en Thom van Oss

Met een door zonne-energie aangedreven voertuig, grotendeels gebouwd van kunststofafval, wil Edwin ter Velde over een jaar naar de geografische Zuidpool rijden. Een expeditie met een missie. Maar ook een expeditie die een andere kijk oplevert op energie-efficiënte aandrijflijnen. Zijn IE5 motoren altijd wel de beste oplossing?

Wordt het niet tijd voor omdenken?

Als Edwin ter Velde op 1 december 2018, hartje zomer in Antarctica, begint aan de 2300 km lange tocht (heen en terug) naar de geografische Zuidpool, breekt eigenlijk het gemakkelijkste deel van de expeditie Clean2Antarctica aan. Althans dat vindt de ondernemer/omdenker/ avonturier zelf. “Het afgelopen jaar is veel moeilijker geweest dan wat me daar te wachten staat.” Hij heeft het dan niet over dertig dagen alleen maar zonlicht, dag en nacht of de temperaturen van gemiddeld -30°C, met uitschieters tot -50°C. Een maand lang moeten wonen, slapen, werken, eten in een voertuig gebouwd uit kunststofafval. Of de onmetelijke witte ijsvlakte, die ook hem zal doen hallucineren.

champignon bakje

Het champignonbakje dat aan de basis ligt van de Clean2Antarctica expeditie.

Ter Velde vindt het eerste deel van zijn expeditie, het bouwen van de Solar Voyager, moeilijker omdat hij veel partijen heeft moeten overtuigen dat het wel degelijk kan: met een van kunststofafval gebouwd voertuig op zonne-energie naar de Zuidpool rijden. “Er zijn zoveel momenten, zoveel redenen geweest om te stoppen.”

Niemand die het hem kwalijk zou hebben genomen. Dat past echter niet bij waar hij voor staat. We moeten anders gaan denken over afval, over hoe we met onze wereld omgaan. Omdenken, noemt hij dit. Dat is nodig om naar een ‘zero waste’ en circulaire samenleving te gaan. Dit zijn de twee kernwoorden van de expeditie Clean2Antarctica. Vandaar dat de Zuidpool zijn doel is, 180 graden de andere kant op. “Elke stap die je daarna vanaf de Zuidpool zet, ongeacht de richting, loop je naar het noorden. Dat is de metafoor.”

Champignonbakje bij het afval

HexCore voor opbouw SoplarVoyager

Van PET-afval, verzameld door kinderen, zijn Hexcore’s 3D geprint. Deze zijn bekleed met koolstof en daarmee is de boy van de Solar Voyager gebouwd.

De bijzondere expeditie is een paar jaar geleden begonnen bij Edwin ter Velde thuis in de keuken. Met een leeg kunststof bakje, waaruit hij net de laatste champignons had gepakt. De Zaandammer geeft toe: het bakje belandde bij hem zoals bij de meeste gezinnen op de afvalberg. “Wanneer komen we bij zinnen en zien we dit afval als iets waardevols,” herhaalt Ter Velde de vraag de hij zichzelf toen stelde. “Je moet durven omdenken.” Dat geldt niet alleen voor afval. Het geldt bijvoorbeeld ook voor energiegebruik van aandrijfsystemen, waar hij bij de bouw van de Solar Voyager samen met onder meer Apex Dynamics de nodige tijd in heeft geïnvesteerd.

Veel bedrijven zijn volgens hem bezig met optimalisatie. “Maar dat leidt niet tot innovatie. Om te innoveren, moet je zaken anders durven te doen.” Om aan te tonen wat kan, heeft hij de Solar Voyager grotendeels gebouwd van kunststofafval. PET afval, verzameld door stadsjutters (kinderen van basisscholen), verwerkt tot filament voor een 3D-printer. Gaat niet, omdat het
materiaal te bros is, hoorde hij telkens. Maar niemand kon hem uitleggen waarom je van PET geen bouwstenen voor zijn Solar Voyager kon maken. “Blijf niet hangen in problemen maar zoek een oplossing.” Die heeft hij met een van zijn partners gevonden. Het resultaat: van het PET afval zijn Hexcore’s 3D geprint, zeshoekige vormen uit de natuur die met een zwaluwstaart aan elkaar worden geklikt. Aan de binnen en buitenzijde zijn deze bekleed met koolstof en zo is de body van het voertuig gebouwd van afval. Ter Velde: “Er wordt veel gepraat over duurzaamheid, maar weinig geëxperimenteerd.”

Zonne-energie en elektromotoren

De Solar Voyager waarmee Ter Velde naar de geografische Zuidpool rijdt, wordt aangedreven door vier elektromotoren, gevoed door zonneenergie. Zonlicht is er in de zomermaanden in overvloed op Antarctica; dag en nacht. Tien bifacial panelen met elk 320 W piekvermogen gaan de Solar Voyager van energie voorzien. Apex Dynamics is als een van de dertig partners van Clean2Antarctica nauw betrokken geweest bij de ontwikkeling van de hele aandrijflijn. Hierin zijn geen hightech componenten zoals permanente magneten of geavanceerde systemen uit een Tesla verwerkt. Net zo min is hij in de voorbereiding gaan snuffelen in de laatste onderzoeken van technische universiteiten. “Ik ben zeiler,” legt de omdenker uit. Van zijn vele reizen op zee weet hij dat als de techniek je in de steek laat, je het zelf zult moeten oplossen. “Als een motor met een permanente magneet blokkeert, stokt alles. Op de onmetelijke ijsvlakte van Antarctica betekent dit einde oefening. Daarom ben ik juist op een andere manier naar de markt gaan kijken.” De vier wielen van de Solar Voyager worden aangedreven door elk een Siemens kortsluitankermotor, robuuste aandrijftechnologie van eind 19e eeuw. De motoren zijn wel opnieuw gewikkeld voor 48 V. Ook zijn de lagers afgestemd op de extreem lage temperaturen op Antarctica en heeft het team de besturingselektronica verplaatst naar de cabine. Voor de rest is het een standaard motor.

Ter Velde heeft zich niet laten verleiden tot de nieuwste generatie IE5 motoren voor de hoogste energie-efficiency. In zijn ogen wordt er teveel naar specificaties gekeken, waardoor men de efficiency van het totale aandrijfsysteem uit het oog verliest. “Ik heb veel koppel nodig. Motoren die 98 procent rendement beloven, halen dat alleen op precies het nominaal toerental. Wanneer draait een elektromotor precies nominaal?” Men focust te veel op energiezuinige motoren, vindt ook Thom van Oss, algemeen directeur van Apex Dynamics. “De manier waarop de energiezuinige motoren worden ingezet, raakt vaak kant noch wal. Hoe vaak zien
we niet een IE3, IE4 of zelfs al een IE5 motor met daarna een wormwielkast met een rendement van 70 procent?”

Totale energiebalans belangrijker

Solar panelen op de Solar Voyager

De Solar Voyager trekt twee aanhangwagens met daarop de tien bi-facial panelen met elk 320 W piekvermogen. De aanhangers zijn zo gebouwd (kijk naar de voorzijde) dat ze in geval van nood als slede gebruikt kunnen worden.

Voor de expeditie is de totale energiebalans belangrijker dan het rendement van afzonderlijke componenten. In principe leveren de zonnepanelen voldoende energie om de Solar Voyager, die inclusief de beide aanhangwagens met de panelen iets meer dan 1 ton weegt, op snelheid te houden. De extra energie die hij nodig heeft om de ijsgolven op te rijden, komt uit de accu. “Bij het dalen winnen we deze energie terug door af te remmen. De accu helpt me dus de berg over te komen.”

Ter Velde denkt 24 uur per dag te kunnen rijden. Elke elektromotor is gekoppeld aan een tweetraps planetaire tandwielkast met een overbrengverhouding van 50 op 1 en een nominaal koppel van 650 Nm die door Apex Dynamics is geleverd. Van Oss is enthousiast over de expeditie. De denkwijze en visie van Ter Velde sluiten naadloos aan op die van hem. Ook hij vindt dat engineers zich bij de selectie van aandrijfcomponenten vaak teveel laten leiden door specificaties. Hij verwijt beleidsmakers teveel oog voor de energie-efficiency van componenten. “Ik denk dat we veel meer pragmatisch moeten nadenken. Kijk naar het geheel en naar de toepassing.” Gaandeweg hebben beiden de constructie waarin de aandrijfcomponenten zitten aangepast. Voortschrijdend inzicht, leggen ze uit. Aanvankelijk was er voor een andere tandwielkast gekozen en was deze de zwakste schakel. Deze is vervangen door een zwaarder exemplaar. Ze laten nu de motor de zwakste schakel van de aandrijflijn zijn. Een bewuste keuze, want de bewegende delen van een elektromotor gaan niet stuk, een tandwielkast misschien wel. De motor houdt er bij overbelasting hooguit mee op.

Omdat de temperaturen tijdens de zomer op de Zuidpool tot min 50 graden kunnen dalen, is wel de smering van de tandwielkast aangepast. Van Oss: “We passen een smeermiddel toe dat tot -40° C gegarandeerd wordt. Voor lagere temperaturen bestaat er niet veel in de industrie.” Ook Van Oss vaart niet blind op specificaties; experimenteel is aangetoond dat de smering bij deze extreem lage temperaturen zijn werk blijft doen. De ultieme test zal de tocht op de Zuidpool zijn. De roestvast stalen tandwielkast van Apex Dynamics is een standaard product, zonder aanpassing. Eigenlijk is zelfs een RVS uitvoering niet nodig omdat Antarctica een zeer droog klimaat heeft. De wielen worden direct op de uitgaande ISO 9409 flens bevestigd. De tandwielkast dient tevens als wiellager. “In het worstcase scenario kan ik als het systeem blokkeert tandwielen loskoppelen. Niet gemakkelijk bij -50°C, maar wel fijn dat het kan,” lacht Ter Velde. Waar ze momenteel nog over nadenken, is hoe de tandwielkasten ingepakt kunnen worden. Niet om te beschermen tegen stuifsneeuw, wel om de warmte vast te houden.

Energiegebruik verandert niet

kortsluitankermotor met tandwielkast

Voor de aandrijving heeft Edwin ter Velde gekozen voor de klassieke kortsluitankermotor vanwege de robuustheid van deze elektromotor.

Door een grotere tandwielkast te plaatsen, zou je denken dat de wrijvingswarmte toeneemt. “Pas op dat je niet in de ‘I assume’ val trapt,” zegt Ter Velde. Ondanks een zwaardere tandwielkast blijft de energieefficiency van de totale aandrijflijn gelijk. Van Oss: “Bij het afwikkelen van tandwielen maakt het weinig verschil of ze groter of kleiner zijn. Dat komt mede door de nauwkeurigheid waarmee de vertandingen zijn geslepen. Ga dus niet uit van veronderstellingen.” Hij ziet hier een les in voor machinebouwers. Aan de ene kant worden installaties overgedimensioneerd, aan de andere kant wordt er vanuit financiële overwegingen vaak voor lichtere, goedkopere componenten gekozen. “De reductor is dan de zwakste schakel. Door deze te licht te dimensioneren lopen ze het risico dat een miljoenen kostende machine stil staat.” De les die machinebouwers en engineers volgens hem kunnen leren van een project als Clean2Antarctica, is dat je niet altijd vanuit specificaties kunt rekenen om een veilige oplossing te bouwen.
“Edwin houdt ons in dit opzicht telkens een spiegel voor.”

Clean2Antarctica: expeditie met een missie

Edwin ter Velde wil met zijn expeditie Clean2Antarctica aandacht vragen voor het internationale verdrag over dit zevende continent dat in 2048 afloopt. De internationale wereld heeft jaren geleden het Antarctisch Verdrag gesloten waarin de status quo van het continent tot 2048 wordt bevroren. Ook is de afspraak gemaakt dat geen enkele expeditie hier afval mag achterlaten. Ter Velde draait het om: hij wil met de van afval gemaakte Solar Voyager op hernieuwbare energie de Zuidpool bereiken. De bouw van het voertuig is het eerste deel van het project. In het tweede deel varen komend jaar zes groepen jongeren met het tallship Morgenster naar Ushuaia, de laatste halte tussen de bewoonde wereld en het ongerepte Antarctica. Tijdens elk deel van de reis gaan de jongeren oplossingen uitwerken voor duurzaamheidsvraagstukken die door het bedrijfsleven vooraf zijn ingediend. En de bedrijven verplichten zich om de oplossingen te implementeren. Ter Velde wil juist jongeren betrekken omdat zij de generatie vormen die in
2048 beslist over verlenging van het verdrag. De derde fase van de expeditie is de tocht naar de Zuidpool. Voor de bekostiging wil hij VIP’s meenemen op een deel van de 2300 km lange tocht. “Om een zo groot mogelijke reikwijdte te hebben, neem ik liefst van elk continent een influencer mee die in zowel zijn eigen ondernemingen als in zijn netwerk anderen zal aanzetten tot een duurzame leefstijl.”

Edwin ter Velde

Van huis uit is Edwin ter Velde werktuigbouwkundige. Na enkele jaren in de offshore-industrie heeft hij in de jaren negentig meerdere functies vervuld bij GTI. Sinds 1999 werkt hij onder meer als interim manager, adviseur voor verschillende organisaties én heeft hij als ondernemer diverse start-ups gerealiseerd. Nu beperkt Ter Velde zich tot het door hem opgerichte Zero Waste Center. Hierin worden bedrijven en mensen aangespoord van duurzaamheid een tweede natuur te maken.

Helmond, November 2017
Bron : Vakblad Aandrijftechniek
Tekst en foto’s : Franc Coenen