17 augustus 2017

Volvo Cars kondigt 5 juli 2017 aan dat elke Volvo die vanaf 2019 geïntroduceerd wordt, voorzien is van een elektromotor. Daarmee komt een einde aan een tijdperk van Volvo-modellen met uitsluitend verbrandingsmotoren. Elektrisch rijden lijkt meer en meer het rijden van de toekomst te worden, maar een belangrijk obstakel bij (volledig) elektrische aandrijving is – zoals onze redacteur Roel van der Heijden zelf ervoer – nog altijd de beperkte actieradius.

Je leest:

Wanneer is de benzinemotor passé?

Wanneer is de benzinemotor passé?

Waarom het zo moeilijk is een alternatief voor benzine te vinden

De tijd is rijp voor een revolutie in de autowereld. Tekenen dat benzine- en dieselmotoren hun hegemonie in het wagenpark verliezen zijn er volop, maar wanneer breekt de elektrische auto écht door? Een belangrijk obstakel is de vaak nog beperkte actieradius van met batterijen uitgeruste wagens. Hoe lossen autofabrikanten dat op?

In Nederland is 6,4 procent van het wagenpark elektrisch of hybride. Dat rapporteerde het Internationale Energie Agentschap IAE op 7 juni 2017. Daarmee is Nederland, achter Noorwegen met 29 procent, tweede in de wereld.

Het is de derde dag van mijn proefweek met de volledig elektrische Nissan LEAF als ik vanuit Nijmegen vertrek voor een rit naar Leiden. Ruim 130 kilometer. Het dashboard van de wagen geeft nog een actieradius van 50 kilometer aan. Niet veel, maar genoeg om het snellaadstation van FastNed, 29 kilometer verderop, te bereiken.

Op de snelweg zie ik de teller echter rapper teruglopen dan hij me in stilstand beloofde. De LEAF waarschuwt me meermaals dat ik echt op zoek moet gaan naar een laadplek. Dan, als er nog maar 15 kilometer actieradius op de teller staat, verdwijnt de indicatie op het dashboard. Het zweet breekt me uit. Gelukkig zie ik in de verte het oplaadstation al: ik red het. Uiteindelijk blijkt de accu nog vijf procent te hebben. 26 minuten laden krikt dat op naar bijna 90 procent.

Img 20160610 140442
De Nissan LEAF aan de (snel)laadpaal van FastNed. In 20 tot 25 minuten is de auto grotendeels opgeladen. Het station levert hierbij een zeer hoog vermogen van zo’n 50.000 watt.
Roel van der Heijden voor NEMO Kennislink

De beperkte actieradius lijkt nog steeds een belangrijke reden waarom de consument nog niet aan de elektrische auto wil. Uit een enquête (246 respondenten) die NEMO Kennislink in september hield bleek dat bijna 22 procent van de lezers wel een elektrische auto zou willen, maar wordt tegengehouden door de beperkte actieradius van de beschikbare modellen. Ook de hoge(re) prijs blijkt een obstakel, 25 procent van de mensen zegt zich daardoor te laten tegenhouden. In totaal laat een krappe meerderheid van 55 procent van de respondenten weten in principe wél een elektrische auto te willen of die al heeft.

Elektrisch rijden heeft potentie maar moet beter, wat betreft prijs en prestatie. Hoe lossen autofabrikanten dat op? Stoten betere en goedkopere batterijen de benzinemotor van de troon? Of wordt na jaren van beloftes rijden op waterstof – een manier om overtollige elektriciteit in op te slaan – misschien toch nog een hit? Terwijl ik de Nissan LEAF een week test, zet ik de mogelijkheden op een rij.

Meer batterijen

Goed, een grotere actieradius dus. De oplossing lijkt voor de hand te liggen: meer batterijen in de auto. Maar er zítten al behoorlijk wat accu’s in. De Nissan LEAF heeft een kleine driehonderd kilo batterijen aan boord – twintig procent van het gewicht van de auto – waarop hij ‘volgens het boekje’ 250 kilometer kan rijden. De werkelijkheid is weerbarstiger, bij normaal gebruik sta ik iedere 100 tot 150 kilometer aan de laadpaal.

2013 nissan leaf cutaway %282%29
De batterijen van een elektrische Nissan LEAF onderin de auto.

“Hoewel batterijen erg efficiënte energiedragers zijn, met doorgaans slechts tien procent verlies in een laadcyclus, zijn ze relatief groot en zwaar”, zegt Peter Notten, hoogleraar Energy Materials and Devices aan de Technische Universiteit Eindhoven. “Elke cel in een batterij – de LEAF heeft er 196 – bestaat uit twee elektrodes, met daartussen het zogenoemde elektrolyt (een medium dat de elektrodes verbindt – red.), veiligheidsmechanismen en de behuizing. Wil je dat uitbreiden dan moet je meer van die cellen in de batterij stoppen, met ieder weer eigen elektrodes, elektrolyt en behuizing. Batterijen ‘schalen’ wat dat betreft slechter dan een benzinetank waarin alleen de energiedrager zit.”

Maar er gaat wél steeds meer energie in batterijen. Wetenschappers steken veel energie in het verbeteren van de technologie, waardoor er volgens Notten ieder jaar zo’n vijf tot zeven procent winst wordt geboekt. Dat zit hem in het verbeteren van de elektrodematerialen, maar ook in het terugdringen van de hoeveelheid inactief materiaal, zoals een dunnere behuizing. Notten laat weten dat moderne batterijen al meer dan vijf keer meer energie opslaan dan dat ze aan het begin van het batterijentijdperk deden.

Naast het grote volume en de relatief bescheiden capaciteit van batterijen is de prijs een probleem. Een analyse die vorig jaar in Nature Communications verscheen, laat zien dat de kostprijs van een batterij uit uit de fabrieken van Nissan en Tesla rond de 300 dollar per kWh was. Tegen die prijs zit er in een Nissan LEAF dus voor 9000 dollar aan batterijen, in een Tesla nog meer. Ondanks dat de kostprijs in de jaren daarvoor met gemiddeld acht procent per jaar daalde, zit het nog flink boven de 150 dollar per kWh, een prijs die volgens de wetenschappers nodig is om de elektrische auto een commercieel succes te maken. “Natuurlijk gaan die prijzen verder omlaag,” zegt Notten, “Tesla zet momenteel een gigantische batterijenfabriek op. Met massaproductie kun je de prijzen op termijn drukken. Het gaat dan richting de grondstofprijs.”

14863560864 1e2c36f13c o
Er zijn nog grote hoeveelheden lithium in de wereld, onder andere in Zuid-Amerikaanse zoutvlaktes.

Lithiumschaarste?

De populairste oplaadbare batterij is de lithium-ion-batterij, ook voor elektrische auto’s. Bij een sterke stijging van het gebruik zou de wereld afstevenen op een lithiumtekort, volgens sommigen. Peter Notten vindt het probleem wat overdreven. “Ik heb eens uitgerekend dat we met de huidige reserves een miljard auto’s (!) met een bescheiden batterij van 10 kWh kunnen uitrusten”, zegt hij. “En dan hebben we nog niet eens veel moeite gedaan voor het vinden van nieuwe reserves. Het is overigens wel verstandig om naar alternatieven voor lithium te kijken, en die zijn er.”

Elektriciteit in gasvorm

Een elektrische auto sleept voor elke kilometer meer dan een kilo aan batterijen mee. Er zijn daarom óók nog kansen voor alternatieven. Zoals waterstof, een gas dat gemakkelijk met elektriciteit te maken is, en in een zogenoemde brandstofcel weer kan worden omgezet in elektriciteit. De techniek bestaat al meer dan 150 jaar en fabrikanten (waaronder Nissan) ontwikkelden al verschillende waterstofauto’s, stuk voor stuk prototypes die de massa nooit bereikten.

4087181226 b43e809238 o
Waterstofproductie in water.

Als de brandstofcel al zo lang bestaat, en een mooie manier is om ‘overtollige energie’ uit duurzame bronnen op te slaan, waarom stop ik dan nu een stekker in de wagen? Waarom tank ik geen waterstof?

“Een brandstofcel is redelijk complex, en om efficiënt te werken hebben ze kostbare katalysatoren zoals platina nodig. De kosten van de techniek zijn nu een bottleneck”, zegt Notten. “Er wordt veel onderzoek gedaan om het platina te reduceren of zelfs te elimineren. En de prijs hangt natuurlijk ook af van de productiegrootte. Bij massaproductie zakken de prijzen, maar dat punt moet je dan wel bereiken. Fabrikanten zeggen overigens al langer dat brandstofcellen goedkoper worden. Ik weet niet hoe lang dat nog duurt, misschien wel tien jaar.”

Naast de prijs van een brandstofcel is waterstof ook notoir moeilijk mee te nemen. Om een acceptabele actieradius te halen moet je het gas onder hoge druk in een tank stoppen of een ‘houdermateriaal’ gebruiken waar het in lage druk in blijft zitten. Naar dat laatste heeft Notten onderzoek gedaan. Hij en collega’s werkten met verschillende materialen, maar daarbij duiken steeds problemen op. “Of het materiaal (op basis van lanthaannikkel) weegt veel – zo in de orde van batterijen – óf het transport van waterstof in het materiaal (zoals magnesium en titaan) gaat traag waardoor je relatief langzaam tankt.” Al met al moet de techniek nog een aantal hordes nemen om door te breken.

Waterstof als tussenstap

Waterstof zou ook als een tussenstap kunnen dienen. Nissan kondigde afgelopen zomer aan dat het de mogelijkheid onderzoekt om auto’s te laten rijden op ethanol. Deze vloeistof wordt in de auto in twee stappen omgezet naar elektriciteit. Eerst wordt er waterstof van gemaakt in een omvormer, dat vervolgens weer een brandstofcel in gaat. Het systeem zou volgens het bericht rond 2020 klaar moeten zijn.

Takashi Shirakawa, Senior Vice President van Nissan Technical Centre Europe, zegt dat er een aantal voordelen zitten aan zo’n systeem, niet alleen in de auto maar juist daarbuiten, in de infrastructuur. “Een van de redenen dat we dit onderzoeken is dat ethanol eigenlijk al wijd verspreid is”, zegt hij. “Je kunt het zelfs in de supermarkt kopen. We kunnen makkelijker een infrastructuur creëren voor ethanol dan voor waterstofgas, waar technisch gezien nadelen aan kleven.”

Kun je het (brandbare) ethanol niet beter meteen verbranden in een brandstofmotor? Niet volgens Shirakawa, hij wijst op de matige efficiëntie van rond de 25 procent van verbrandingsmotoren. Volgens hem kan de omzetting van ethanol naar waterstof met een efficiëntie van 80 tot 90 procent. Haal je met een brandstofcel vervolgens ongeveer 50 procent rendement, dat zit je nog steeds boven de prestaties van een verbrandingsmotor.

449042473 5ab8c97bff o
Er zijn auto’s geproduceerd die rijden op waterstof, een echt succes is het vooralsnog niet geworden. De auto op deze foto gebruikte waterstof overigens niet in een brandstofcel voor de omzetting naar elektriciteit, maar verbrandde het net als benzine in een verbrandingsmotor.

Volgens Notten hebben dergelijke systemen toekomst als zogenoemde range extender, een systeem om de actieradius van elektrische auto’s op te krikken. “Je rijdt dan eerst op batterijen, en als die leeg raken schakelt de auto over op een tweede energiebron”, zegt hij. “Welke oplossing het uiteindelijk wordt is nu onduidelijk.” Ook Shirakawa zegt dat er verschillende systemen strijden om de plek van de verbrandingsmotor in te nemen. “We leven wat dat betreft in een tijd van ‘technologische chaos’.”

Elektrisch rijden is plannen

Een onderdeel van het elektrische rijden is nu nog plannen, zeker voor de verre ritten. Waar zijn de oplaadstations? Waar moet ik laden? Dat moet van te voren al duidelijk zijn. Voor de momenten dat het mis gaat heeft Nissan een ophaalservice. Ze slepen je leeggereden LEAF het eerste jaar gratis naar het dichtstbijzijnde oplaadpunt.

Img 20160615 174441
Roel van der Heijden voor NEMO Kennislink

Het dashboard van de Nissan LEAF geeft duidelijk aan hoeveel kilometer hij nog kan rijden. Wanneer je het gaspedaal wat dieper intrapt zakt het bereik sneller. Ook het gebruik van bijvoorbeeld de airconditioning snoept een paar kilometer van de actieradius af. Helaas heb ik nooit meer dan 200 kilometer gereden. Sterker nog, bij normaal gebruik moet je rekening houden met een laadbeurt iedere 100 tot 150 kilometer.

Hoewel ze niet eens zo lang duren, is wel de frequentie van de oplaadbeurten vervelend. Zelfs tijdens een lange rit binnen het kleine Nederland sta je soms meer dan één keer stil. Wat betreft oplaadpunten is het in Nederland overigens wél al aardig geregeld. Bedrijven als FastNed hebben een redelijk dicht netwerk van snellaadpunten op de snelwegen. Die bestaan naast de ‘gewone’ (veel langzamere) oplaadpunten die in veel woonwijken te vinden zijn.

De elektrische wagen is vanuit stilstand snel weg en vooral: stil. Eigenlijk veel soepeler dan menig (handgeschakelde) benzine-auto.

De Nissan LEAF werd door NEMO Kennislink een week lang getest op uitnodiging van Nissan.

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 18 november 2016

Discussieer mee

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

LEES EN DRAAG BIJ AAN DE DISCUSSIE