Regeneratief remmen: hoe remenergie een tweede leven krijgt
Elke keer dat een auto afremt, verdwijnt er energie. Bij een gewone auto met schijfremmen wordt de bewegingsenergie van de auto omgezet in warmte in de remblokken en remschijven, en die warmte waait gewoon weg. Bij regeneratief remmen gebeurt er iets slims: in plaats van die energie weg te gooien, wordt ze omgezet in elektriciteit en teruggestopt in de accu. De auto remt dus niet alleen af, hij laadt tegelijk zichzelf een beetje op.
Een handige vergelijking is de dynamo op een ouderwetse fiets. Trap je harder, dan draait de dynamo mee en wordt een deel van je trapkracht omgezet in stroom voor de lamp. Bij regeneratief remmen werkt hetzelfde principe omgekeerd: de elektromotor die normaal de auto (of trein, fiets of vrachtwagen) aandrijft, wordt tijdens het remmen tijdelijk gebruikt als generator. De wielen drijven dan de motor aan in plaats van andersom, en die opgewekte stroom gaat naar de accu. Zo krijgt energie die anders verloren zou gaan, alsnog een nuttige tweede leven.
Wat is het precies?
De kern van regeneratief remmen zit in een eigenschap die vrijwel elke elektromotor heeft: hij kan twee kanten op werken. Stuur je er stroom in, dan gaat hij draaien en levert hij beweging — dat is de normale rol van een motor. Draai je de as van diezelfde motor juist rond met kracht van buitenaf, dan wekt hij stroom op — dan gedraagt hij zich als een generator. Een elektrische auto, trein of fiets maakt van dat tweerichtingsgedrag gebruik.
Zodra de bestuurder het gaspedaal loslaat of het rempedaal indrukt, schakelt de besturingselektronica de motor om van aandrijfstand naar generatorstand. De wielen, die nog steeds ronddraaien door de vaart van het voertuig, dwingen de motor nu om te draaien. Dat kost weerstand — en die weerstand voel je als remkracht. De elektrische energie die daarbij vrijkomt, gaat via een omvormer (die wisselstroom van de motor omzet naar de gelijkstroom die een accu nodig heeft) naar de batterij.
In de praktijk wordt regeneratief remmen bijna altijd gecombineerd met de klassieke wrijvingsrem met remblokken en schijven. Dat heet remblending: een besturingssysteem verdeelt de gevraagde remkracht slim over beide systemen. Bij zacht afremmen doet de generator vrijwel al het werk; bij een noodstop, of zodra de accu vol genoeg is en geen stroom meer kan opnemen, neemt de wrijvingsrem het grootste deel over. Die combinatie is nodig omdat een generator alleen bij lage snelheid en gematigde kracht genoeg remvermogen levert om een voertuig snel en veilig tot stilstand te brengen.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is efficiëntie: minder energie verspillen betekent een grotere actieradius per acculading, of minder brandstofverbruik bij hybride voertuigen die zowel een verbrandingsmotor als een elektromotor hebben. Vooral in stadsverkeer, met veel optrekken en afremmen bij verkeerslichten, kan regeneratief remmen een flink deel van de anders verloren energie terugwinnen — ruwe schattingen in vakliteratuur lopen uiteen van zo'n 15 tot ruim 50 procent van de remenergie, afhankelijk van het voertuig, de rijstijl en de accucapaciteit.
Een tweede doel is slijtagevermindering. Omdat de generator een deel van het remwerk overneemt, gaan remblokken en remschijven langer mee, wat onderhoudskosten scheelt.
Daarnaast is er een rijcomfort- en bedieningsdoel: bij sterke regeneratieve remming kan een bestuurder met alleen het gaspedaal versnellen én afremmen, het zogeheten one-pedal driving (rijden met één pedaal). Loslaten van het gas remt het voertuig dan al zo sterk af dat het rempedaal nauwelijks nog nodig is, wat door veel bestuurders van elektrische auto's als prettig en voorspelbaar wordt ervaren, al vraagt het ook gewenning.
Bij treinen en trams speelt nog een extra motief: de teruggewonnen stroom kan direct de bovenleiding in worden gestuurd, zodat een ander voertuig verderop op hetzelfde net die energie meteen gebruikt. Dat scheelt op netwerkniveau aanzienlijk energieverbruik, zeker op lijnen met veel stations dicht bij elkaar.
Voorbeelden uit de praktijk
De Toyota Prius, geïntroduceerd in Japan in 1997 en wereldwijd vanaf 2000, was een van de eerste in massa geproduceerde auto's met regeneratief remmen als vast onderdeel van het hybride aandrijfsysteem. Toyota noemt dit systeem Hybrid Synergy Drive.
In de Formule 1 werd in 2009 het KERS-systeem (Kinetic Energy Recovery System) geïntroduceerd, waarmee coureurs remenergie tijdelijk konden opslaan en op een recht stuk als extra vermogen konden inzetten. Sinds 2014 is dit uitgegroeid tot de MGU-K (Motor Generator Unit-Kinetic), een vast onderdeel van de hybride F1-krachtbronnen.
De volledig elektrische raceklasse Formule E, die in 2014 van start ging, leunt zwaar op regeneratief remmen: coureurs winnen tijdens een race een aanzienlijk deel van hun bruikbare energie terug tijdens het afremmen voor bochten, omdat de accucapaciteit in de auto's beperkt is.
De Nissan Leaf introduceerde met de tweede generatie (vanaf 2017) de zogeheten e-Pedal-functie, waarmee bestuurders met het gaspedaal alleen kunnen optrekken én vrijwel volledig tot stilstand afremmen dankzij sterke regeneratie.
Op het spoor experimenteert de Londense metro (London Underground) al jaren met energieterugwinning; sommige stations en lijnen zijn uitgerust met systemen die remenergie van naderende treinen opslaan of direct doorgeven aan optrekkende treinen elders op het net, als onderdeel van bredere energiebesparingsprogramma's van Transport for London.
Hoe ver is de techniek?
Regeneratief remmen is geen nieuwe uitvinding: al in de negentiende eeuw bestonden eenvoudige vormen bij elektrische trams en treinen, al werd de teruggewonnen energie toen vaak simpelweg als warmte afgevoerd in weerstanden (dat heet rheostatisch remmen) in plaats van opgeslagen — pas met opslag of directe teruglevering aan het net spreek je van echte regeneratie. De grote doorbraak voor het wegverkeer kwam met de opkomst van hybride en elektrische auto's vanaf eind jaren negentig, en de techniek is inmiddels standaard in vrijwel elk elektrisch en hybride voertuig dat nu wordt verkocht.
Toch is de techniek nog niet af. De belangrijkste beperking zit niet in de motor of generator, die al zeer efficiënt zijn, maar in de accu: een batterij kan maar een beperkte hoeveelheid stroom per seconde opnemen (het zogeheten laadvermogen), zeker als hij al bijna vol is of erg koud. Bij een noodstop of bij een volle accu moet daarom alsnog de wrijvingsrem inspringen, wat de theoretisch terug te winnen energie in de praktijk vaak flink lager maakt dan het maximaal haalbare.
Een ander punt van voortdurende ontwikkeling is het naadloos laten aanvoelen van remblending: de overgang tussen regeneratieve rem en wrijvingsrem moet voor de bestuurder onmerkbaar zijn, wat precieze elektronische besturing vergt. Fabrikanten en toeleveranciers werken verder aan zogeheten brake-by-wire-systemen, waarbij het rempedaal geen directe mechanische verbinding meer heeft met de remmen maar volledig elektronisch wordt aangestuurd, wat meer ruimte geeft om regeneratief en mechanisch remmen optimaal te combineren.
Wie werken eraan?
Grote autofabrikanten als Toyota, Tesla, Nissan en BMW passen de techniek al breed toe en verfijnen hun systemen voortdurend, onder meer op het gebied van one-pedal driving en energie-efficiëntie in stadsverkeer.
Op het gebied van remcomponenten en -besturing zijn Duitse toeleveranciers toonaangevend: Bosch, Continental en ZF Friedrichshafen ontwikkelen brake-by-wire- en remblendingssystemen die door veel automerken wereldwijd worden ingekocht.
Voor het spoor- en tramverkeer werken vervoersbedrijven en spoorbouwers, waaronder Transport for London in het Verenigd Koninkrijk en verschillende Europese spoorwegmaatschappijen, samen met technische universiteiten aan energieterugwinning op netwerkniveau.
Onderzoek naar snellere en kouderbestendige batterijladen — essentieel om meer remenergie daadwerkelijk te kunnen opslaan — gebeurt breed verspreid bij universiteiten en onderzoeksinstituten in onder meer Duitsland, Japan, de Verenigde Staten en China, landen die ook de grootste afzetmarkten voor elektrische voertuigen vormen en dus het meeste belang hebben bij verdere verbetering van de techniek.