Werkdocument: Verkenning elektrisch rijden

Werkdocument: Verkenning elektrisch rijden Deel 1: Technologische onzekerheden en uitdagingen rondom elektrisch rijden in Nederland

D-incert Verkenning D-incert (Dutch Innovation Centre for the Electrification of Road Transport) is in 2008 opgericht op initiatief van de drie technische universiteiten in Eindhoven, Delft en Twente en de Hogescholen Rotterdam en Arnhem/Nijmegen, als platform om wetenschappelijk onderzoek, technologische innovatie en onderwijsvernieuwing nauw te kunnen verbinden met de transitie naar elektrisch vervoer in Nederland. Het platform stimuleert snelle kennisdoorstroming, afstemming en samenwerking tussen de aangesloten partijen. D-incert is toegankelijk voor kennisinstellingen en het innovatieve bedrijfsleven dat werkt aan technologische oplossingen voor elektrische mobiliteit. De benadering van D-incert is precompetitief en gericht op onafhankelijke kennis- en technologieontwikkeling en heeft tot doel een strategische bijdrage te leveren aan de ontwikkeling van noodzakelijke innovaties en aan de marktadoptie van elektrische mobiliteit in Nederland. elektrisch rijden Colofon Redactie: Prof.dr. Cees de Bont Deel 1: Technologische onzekerheden en uitdagingen rondom elektrisch rijden in Nederland Dr.ir. Stephan van Dijk Ir. Chris Hellinga Dr.ir. Sacha Silvester Werkgroepvoorzitters & auteurs deelstudies: Prof.dr. Henk Nijmeijer (TU Eindhoven) Prof.dr. Peter Notten (TU Eindhoven) Prof.dr.ir. Pavol Bauer (TU Delft) Ir. Frank Rieck (Hogeschool Rotterdam) Prof.dr. Jan Schoormans (TU Delft) Prof.dr.ir. Bart van Arem (TU Delft) Elektrische voertuigtechnologie Batterijtechnologie Laad-, betaal- en energie-infrastructuur Milieu en Veiligheid Gebruikersperspectief Ruimtelijke en vervoerskundige inpassing D-incert coördinatie: Drs. Pauline van der Vorm Dr.ir. Stephan van Dijk Vormgeving: DC (www.dcworks.nl) D-incert, augustus 2010 AUGUSTUS 2010

met zich mee. Europa zal zo haar potentie om te concurreren met de rest van de wereld niet maximaal kunnen benutten. Het initiatief van de Europese Commissie om de ontwikkelingen daadkrachtig te gaan coördineren, wordt dan ook toegejuicht. Deze verkenning is tot stand gekomen door een unieke samenwerking tussen wetenschappers van verschillende universiteiten en hogescholen en experts vanuit het bedrijfsleven. Er is met grote inzet en Voorwoord enthousiasme aan deze studie gewerkt. Ik wil iedereen die aan de totstandkoming van dit rapport heeft bijgedragen daarvoor danken. Ik ben er van overtuigd dat dit een belangrijke stap is geweest in het bouwen van een hechte kennis- en innovatiegemeenschap op het gebied van elektrisch rijden in Nederland. Op 3 juli 2009 werd het Plan van Aanpak Elektrisch Rijden door de regering aangeboden aan de Tweede Kamer. Hierin wordt vorm en inhoud gegeven aan de ondersteunende rol die het Rijk wil spelen bij de versnelde introductie van elektrisch rijden. De ambitie werd uitgesproken om Nederland in de periode 2009-2011 tot gidsland en internationale proeftuin voor elektrisch rijden te maken. Prof.dr. Cees de Bont Voorzitter D-incert Omdat de ontwikkelingen rond elektrisch rijden elkaar in hoog tempo opvolgen, is een adequaat kennismanagement noodzakelijk. Dit was aanleiding voor het Ministerie van Verkeer en Waterstaat om in december 2009 D-incert de opdracht te verlenen om bestaande kennis en technologische mogelijkheden rond elektrisch wegtransport in Nederland te inventariseren. Door allereerst een objectieve kennisbasis vast te stellen, en onzekerheden en kennisvragen te identificeren, kan vervolgens in nauwe samenspraak met kennisinstellingen, bedrijfsleven en overheden een nationale kennis- en innovatieagenda voor elektrisch rijden in Nederland worden ontwikkeld. 1 Geraamd is het aantal plug-in hybrides en volledig elektrische voertuigen dat in 2020 het Nederlandse wagenpark zal betreden. Bron: Brief aan de kamer, Plan van Met dit doel hebben ruim dertig experts van verschillende universiteiten, hogescholen en kennisinstellingen de belangrijkste technologische aspecten geïnventariseerd die van belang zijn voor de transitie van mobiliteit op basis van fossiele brandstoffen naar oplaadbare elektrische voertuigen. Zij verzamelden de kennisvragen die nog beantwoord moeten worden om de introductie te faciliteren van het door het kabinet voorziene aantal van 200.000 elektrische voortuigen per 2020. 1 Aanpak Elektrisch Rijden, juli 2009 Dit is, als eerste stap op weg naar een nationale kennis- en innovatieagenda, de resulterende rapportage. De onderwerpen zijn: Elektrische voertuigen Batterijtechnologie Laad-, betaal- en energie-infrastructuur Veiligheid en milieu Gebruikersperspectief Ruimtelijke en vervoerskundige inpassing De kennis die noodzakelijk is voor de ontwikkeling van flankerend beleid is in deze studie buiten beschouwing gelaten. Sinds de opdrachtverlening hebben de ontwikkelingen rondom elektrisch rijden zich stormachting doorgezet. Europese steden, regio s en landen onderzoeken ieder de mogelijkheden die elektrische mobiliteit kan bieden, enerzijds voor het oplossen van milieuproblemen en anderzijds als nieuwe economische motor. Hoewel belangrijk voor het creëren van draagvlak, brengt dit een risico op Europese fragmentatie 4 5

samenvatting Aanleiding Dit rapport bevat een inventarisatie van de belangrijkste technologische ontwikkelingen, onzekerheden en kennisvragen die van invloed zijn op de transitie van mobiliteit op basis van fossiele brandstoffen naar oplaadbare elektrische voertuigen. De inventarisatie is in opdracht van het Ministerie van Verkeer en Waterstaat en onder coördinatie van D-incert uitgevoerd door experts van universiteiten, hogescholen en kennisinstellingen. Het moet als startpunt dienen om tot een nationale onderzoeks- en innovatieagenda voor elektrisch rijden in Nederland te komen. Zo n agenda past bij de ambitie die door de overheid is gesteld om Nederland in de periode 2009-2011 tot gidsland en internationale proeftuin voor elektrisch rijden te maken. De overgang naar elektrisch wegvervoer kan legio voordelen bieden. Elektrisch rijden geeft uitzicht op een uitstekend overall duurzaamheidseffect en (lokale) emissiereductie. Daarnaast biedt het economische kansen. De ontwikkeling van elektrische mobiliteit kan plaatsvinden in grote synergie met andere gewenste ontwikkelingen zoals smart grids, duurzame brandstoffen en verbetering van de leefbaarheid in grote steden. Kennisbasis De inventarisatie van de in Nederland aanwezige kennis en technologische ontwikkelingen rondom elektrisch vervoer levert het volgende algemene beeld op: Een beperkt aantal onderzoek- en kennisinstellingen is in wisselende coalities betrokken bij voornamelijk beleidsondersteunende studies, veelal in opdracht van overheidsinstanties. Opvallend is dat vrijwel gelijksoortig onderzoek wordt uitgevoerd voor verschillende opdrachtgevers. Er is nog weinig sprake van een programmatische aanpak. Veel onderzoek heeft een inventariserend en verkennend karakter en focusseert op effecten en haalbaarheid van elektrisch vervoer. Een groot aantal van deze studies maakt gebruik van voornamelijk buitenlands onderzoeksmateriaal. Onderzoek naar batterijtechnologie, elektrisch aandrijftechnologie en laad- en energie-infrastructuur vindt in Nederland plaats, is van hoog niveau, maar heeft een relatief beperkte omvang ten opzichte van het buitenland. Onderzoek op de deelgebieden is nog te weinig met elkaar verbonden waardoor synergievoordelen en innovaties op de grensvlakken nog teveel worden gemist. De in Nederland beschikbare onderzoeksmiddelen voor elektrisch vervoer en deelsystemen blijven achter bij die van de ons omringende landen. Kennislacunes Uit de inventarisatie komen ook een aantal kennislacunes of onderzoeksvragen naar voren. Op basis hiervan worden aanbevelingen gedaan specifiek voor het Nederlandse onderzoeks- en ontwikkelingsveld: Elektrische voertuigtechnologie: houdt ontwikkelingen nauwgezet bij om kansen voor Nederland te herkennen en versterk de bestaande basis De technische ontwikkeling van volledig elektrische voertuigen gaat via vele tussenstappen. Onderweg is velerlei technologieontwikkeling nodig: van chassis, body, batterij, aandrijflijn, voorzieningen om de actieradius te vergroten tot intelligente systemen om de bestuurder te helpen. Deze ontwikkelingen zorgen voor (niche) markten waar zowel kleine bedrijven als gevestigde bedrijven kansen hebben. De totale omvang van de automotive markt en de aanwezige expertise impliceren dat kansen op dit vlak grote impact voor Nederland kunnen hebben. Binnen het HTAS programma worden deze punten daadkrachtig opgepakt. Dit programma kan verder worden versterkt en verbreed (zeker in relatie tot batterijtechnologie en laadtechnologie). Het opbouwen en uitbreiden van Europese relaties en netwerken is van belang om ontwikkelingen goed te kunnen volgen. Batterijtechnologie: stimuleer onderzoek en zie industriële kansen vanuit een ketenbenadering Voor de ontwikkeling van nieuwe batterijtechnologieën is een tweeledige aanpak cruciaal: De onderzoeksexpertise uit te bouwen op de veelbelovende gebieden van batterijmaterialen, batterijtechnologie, modellering en batterijmanagement systemen. Het is van essentieel belang industriële activiteiten rond de gehele waardeketen van batterijen te beschouwen: materiaalontwikkeling, productie en verhandeling, batterijproductie maar ook het ontwerp en productie van batterijpakketen, veiligheidselektronica en recycling/second life. Laad-, betaal- en energie-infrastructuur: zet naast technologieontwikkeling ook in op effectieve institutionele en economische arrangementen De aanwezigheid en aard van de laadinfrastructuur zal in sterke mate het succes en de snelheid van de transitie naar elektrische mobiliteit bepalen. Hierbij is ook een transparantie institutionele organisatie en efficiënt marktmodel van de elektriciteitslevering van groot belang. Uitdagingen zijn o.a.: Ontwikkeling gebruiksvriendelijke en betrouwbare laadtechnologieën Ontwikkeling batterijmanagement en netwerkintelligentie (smart grids) t.b.v. het laadproces Vergelijkend onderzoek naar economische haalbaarheid en veiligheid van de verschillende laadtechnologieën Ontwikkeling effectieve marktmodellen en institutionele arrangementen voor levering van elektriciteit Ontwikkeling van elektronische betaalfaciliteiten en business modellen Veiligheid en milieu: onderzoek de risico s van batterijen en gebruik ketenanalyses ten aanzien van de milieuvraagstukken met bijzondere aandacht voor CO 2 -emmissies De milieuvoordelen van elektrisch rijden vormen een belangrijke motivatie voor de overheid om elektrisch rijden te stimuleren, echter de veiligheid van elektrisch rijden is voor veel consumenten en gebruikers nog onzeker. Daarom moeten de volgende kennisvragen beantwoord worden: Veiligheidsaspecten: batterijtechnologie tijdens (de)montage, reparatie, botsingen, en opladen; elektromagnetische compatibiliteit; gevaren ten gevolge van het ontbreken van motorgeluid. Milieuaspecten: integrale ketenanalyse ten aanzien van milieuvraagstukken; recycling; op Europees niveau aandacht voor de verhouding tussen toenemende elektriciteitsvraag en CO 2 -emmissies. 6 7

Gebruikersperspectief: nog grotendeels onontgonnen gebied Gangbare modellen voor de adoptie van nieuwe technologieën vormen een startpunt in het onderzoek naar het gebruikersperspectief van elektrische mobiliteit voor verschillende marktsegmenten. De volgende vragen moeten beantwoord worden: Wanneer heeft een elektrische auto voldoende functioneel voordeel voor een consument? Wat zijn de economische overwegingen van de consument bij aanschaf van een elektrisch voertuig? Hoe wil de gebruiker de elektrische auto het liefst opladen? Ruimtelijke en vervoerskundige inpassing: spoedig een start maken met nieuw onderzoek Er is weinig bekend over de ruimtelijke en vervoerskundige inpassing van elektrische auto s. Gezien de lange besluitvormings- en ontwikkelingsprocessen bij ruimtelijke ordeningsvraagstukken zal kennis hierover snel ontwikkeld moeten gaan worden. Onderwerpen zijn hierbij: laadinfrastructuur voor geparkeerde auto s, combinatie met duurzame lokale energieopwekking, nieuwe ruimtelijke en particuliere vervoersconcepten, stedelijke distributie en nieuwe vervoersdiensten. Naar een kennisagenda elektrisch vervoer De ontwikkelingen op het gebied van elektrisch vervoer gaan snel en wereldwijd zijn belanghebbende partijen zich aan het positioneren. Het is onduidelijk hoe snel de transitie zal plaatsvinden. Schattingen lopen zo n tien jaar uiteen maar voorspellen allen dat de transitie enkele decennia zal duren. Om toch tot een voorlopige prioriteitsstelling en kennisagenda te komen, richten we ons op vier de fases van het standaard adoptieproces van nieuwe technologieën: (1) introductie, (2) groei, (3) rijpheid en (4) verzadiging. Per fase is geïnventariseerd welke kennisontwikkeling moet starten en welke voltooid moet zijn om de betreffende transitiefase succesvol te doorlopen. Aanbevelingen Op basis van de inventarisatie komen wij tot de volgende aanbevelingen: Richt een nationaal kennis- en innovatieplatform elektrisch vervoer op, om samenwerking en innovatie te stimuleren, kansen te herkennen en als (internationaal) aanspreekpunt te dienen. Buit Nederlandse sterktes uit en speel in op nieuwe kansen via een breed gedragen nationale onderzoeks- en innovatieagenda elektrische mobiliteit. Versterk de internationale samenwerking om fragmentatie te voorkomen en Nederlandse middelen efficiënt in te zetten. Ontwikkel nieuw onderwijs (MBO, HBO, WO) op de terreinen energieopslag, voertuigtechniek en systeem- en netintegratie. 8 9

Inhoudsopgave Voorwoord samenvatting 4 6 1. / De transitie naar geëlektrificeerd wegtransport 3. / Naar een kennisagenda elektrisch rijden 1.1 De belofte van elektrisch vervoer 14 3.1 Inleiding 96 1.2 Aan de vooravond van een transitie 16 3.2 Introductiefase 97 1.3 Nederland en elektrisch wegtransport 18 3.3 Groeifase 98 1.4 Doel en reikwijdte van deze verkennende studie 19 3.4 Rijpheids- & verzadigingsfase 99 1.5 Opbouw van de studie 20 3.5 Kennisontwikkeling tijdens de transitie 100 2. / Stand van zaken en ontwikkelingen elektrisch rijden 4. / Conclusies en aanbevelingen 2.1 Inleiding 24 4.1 Conclusies 106 2.2 Elektrische voertuigtechnologie 24 4.2 Aanbevelingen 109 2.3 Batterijtechnologie 33 2.4 Laad-, betaal-, en energie-infrastructuur 44 5. / Referenties en achtergrondinformatie 2.5 Veiligheid en milieu 60 5.1 Referenties 114 2.6 Gebruikersperspectief 74 5.2 Achtergrondinformatie 116 2.7 De ruimtelijke en vervoerskundige inpassing van 80 ELEKTRISCHE voertuigen BIJLAGE I: Typen elektrische voertuigen 120 2.8 Samenvatting stand van zaken 89 BIJLAGE II: Lopende samenwerkingsprogramma s 120 BIJLAGE III: Geraadpleegde experts 122 10 11

1. / De transitie naar geëlektrificeerd WegtransPort

1.1 / De Belofte Van elektrisch VerVoer In het denken over de toekomstige vormen van duurzaam wegtransport hebben elektrisch aangedreven voertuigen in de afgelopen twee jaar buitengewoon veel aandacht gekregen. Dagelijks lezen we nieuwe berichten over voorgenomen marktintroducties door de belangrijkste autofabrikanten, en over internationale, nationale, regionale en lokale initiatieven om de transitie naar elektrisch vervoer te bevorderen. Er is een aantal principiële overwegingen die een toekomst met een groot aandeel van geëlektrificeerd wegtransport wenselijk en aannemelijk maken: elektriciteit is een BrononafhanKelijKe energiedrager De wegvervoerssector in Nederland is goed voor ongeveer 32% van de olievraag. 2 Door het wegvervoer (in belangrijke mate) te elektrificeren, wordt het ontkoppeld van specifieke primaire energiedragers zoals aardolieproducten. elektrificatie sluit andere ontwikkelingen niet uit Meningen verschillen nog over de vraag of elektrificatie ook in de verdere toekomst betekent dat het vervoer volledig elektrisch zal zijn, dan wel een hybride karakter zal hebben. Elektrische aandrijving is in verschillende vormen te combineren met vloeibare of gasvormige brandstoffen zoals biobrandstoffen en waterstof. Afhankelijk van de ontwikkelingen ontstaat dus ook flexibiliteit richting additionele vervoersbrandstoffen en sluiten neutrale elektrische aandrijfsystemen andere ontwikkelingen niet uit. elektrische infrastructuur is en Blijft BeschiKBaar Elektriciteit is welhaast de ideale energiedrager die efficiënt omgezet kan worden in functionaliteiten zoals licht, beweging en warmte. Algemeen wordt er daarom van uitgegaan dat het relatieve belang van elektriciteit voor de energievoorziening sterk zal toenemen. Introductie van elektrisch wegvervoer vergt geen volstrekt nieuwe infrastructuur (zoals bijvoorbeeld in het geval van waterstof), maar stelt wel extra eisen aan de elektriciteitsvoorzieningsystemen. Investeringen daarin beantwoorden tegelijkertijd aan toekomstige behoeftes aan intelligentere netwerken (smart grids) die een meer gedistribueerd en intermitterend aanbod zullen moeten verbinden met de fluctuerende vraag. er zijn systeemdoorbraken in De VerVoerssector nodig om in 2050 80% co 2 emissiereductie te Kunnen halen Onder meer vanwege de strenger wordende Europese wetgeving zullen (CO 2 ) emissies van interne verbrandingsmotoren voorlopig blijven dalen. Meer dan 40% tot 50% reductie ten opzichte van het huidige niveau wordt door TNO evenwel niet verwacht. Om de transportsector op de lange termijn een evenredige bijdrage te laten leveren aan een CO 2 -emissiereductie van 80-90% [1] zullen we dus tegen de grenzen van de verbrandingsmotoren aanlopen. Elektrisch vervoer doorbreekt die grens en verlegt de uitdaging naar een duurzame elektriciteitsopwekking, die ook zonder elektrificering van het wegtransport tot stand zal moeten komen. elektrische aandrijving geeft geen lokale emissies Elektrisch vervoer is lokaal emissieloos en verlegt het vraagstuk van ondermeer fijnstof-, NO x - en CO 2 -emissies naar (centrale) elektriciteitsopwekkingseenheden, waar emissies beter beheersbaar of te voorkomen zijn. Ook door de fysieke afstand tussen opwekkingseenheden en bevolkingsconcentraties zal dit een belangrijke invloed hebben op de luchtkwaliteit in dichtbevolkte gebieden. Geluidshinder, tot slot, wordt in hoge mate veroorzaakt door het wegverkeer. Elektrische voertuigen zijn stiller op lagere snelheden en kunnen een bijdrage leveren aan de verbetering van de leefbaarheid van met name stedelijke gebieden. nieuwe energieopslagsystemen zijn WezenlijK Voor Duurzame energievoorziening In de toekomst zal de elektriciteitsopwekking in belangrijke mate afhankelijk worden van weers- en seizoensomstandigheden (wind, zonlicht). Om een intermitterend aanbod goed te verbinden met de vraag zijn nieuwe energieopslagsystemen nodig. Er is nog veel onzekerheid over hoe die vorm zullen gaan krijgen. De inzet van batterijen is vanuit energie-efficiëntie overwegingen een logische keuze, omdat de verliezen tussen het moment van elektriciteitsopwekking en gebruik klein zijn, maar de kosteneffectiviteit is nog gering. Met een grootschalige adoptie van elektrische voertuigen in Nederland kan een elektriciteitsbuffer ontstaan van vergelijkbare grootte als de dagelijkse elektriciteitsproductie, die (deels) door de consument gefinancierd kan worden uit het prijsverschil tussen benzine en diesel en elektriciteit. Elektrisch vervoer en het lange-termijn denken over duurzame energiesystemen in bredere zin liggen daarmee sterk in elkaars verlengde. De Ketenefficiency Van het energiegebruik met elektrische aandrijving is groot Het rendement van elektromotoren, waarbij elektrische energie omgezet wordt naar beweging, kan afhankelijk van het type elektromotor buitengewoon hoog zijn (tot circa 95%). Verliezen in de batterijen tijdens laden, opslag en ontladen zijn vooralsnog groter (10-20%), maar de tank-to-wheel 3 verliezen (15-25%) zijn veel lager dan bij interne verbrandingsmotoren (60-80%). Met de huidige wijze van elektriciteitsopwekking moeten de energieverliezen in de centrales (45-60%) en als gevolg van transport (in Nederland 4-8%) uiteraard worden meegenomen om op ketenniveau de integrale energie-efficiency en CO 2 uitstoot te kwantificeren. TNO heeft in 2009 berekend dat een elektrische auto in 2020 zo n 35% lagere CO 2 -emissie kent ( well-to-wheel ) dan de gemiddelde auto met een verbrandingsmotor (69 g/km versus 107 g/km) in de situatie dat de elektrische auto wordt geladen met gemiddelde stroom uit het net [2]. Maar ook als de elektriciteit wordt geproduceerd in een kolencentrale (zonder CO 2 -afvang) houdt de elektrische auto een substantieel voordeel van 22%. In de toekomst, wanneer veel duurzame bronnen als zonnepanelen en windturbines direct elektriciteit leveren, zijn de ketenverliezen dus zeer gering mits die elektriciteit rechtstreeks gebruikt kan worden voor voertuigaandrijving. elektrische mobiliteit BieDt innovatiekansen Elektrisch rijden biedt naast nieuwe kansen voor de huidige toeleveranciers in de auto-industrie, voor kennisinstituten en onderzoeks- en ontwikkelingsinstellingen tevens kansen voor nieuwe toetreders in de mobiliteitssector. BeoorDeling Potentiële effecten De transitie naar elektrisch rijden is een ingrijpend veranderingsproces met, zoals hierboven beschreven, een aantal interessante beloftes. Daarnaast moet er ook rekening gehouden worden met een groot aantal neveneffecten. In 2009 is door het Planbureau van de Leefomgeving een brede duurzaamheidmatrix opgesteld voor elektrisch rijden in Nederland (Figuur 1). De beoordeling van de sociale, economi- 2 Momenteel wordt 44% van de aardolie vraag veroorzaakt door de transportsector. Hiervan is 73% afkomstig van het wegtransport. Zie ook: www.compendiumvoordeleefomgeving.nl 3 Tank-to-wheel emissies zijn de emissies die door het voertuig worden uitgestoten tijdens gebruik; well-to-tank emissies zijn de emissies die worden uitgestoten tijdens de winning, productie en transport van de brandstof; wellto-wheel zijn beide samen, dus over de hele keten. 14 15

sche en ecologische effecten is gedaan op basis van inschattingen. Alleen op het aspect gebruiksgemak scoort elektrisch rijden volgens het Planbureau slechter dan het huidige dominante verkeerssysteem op basis van interne verbrandingsmotoren en fossiele brandstoffen. Klein segment (A,B) Th!nk City 2008 Subaru R1e 2009 Mitsubishi imiev Nissan Cube 2010 smart EV 2011 Mercedes A/ B-classEV? Toyota IQ, EV? 2012 VW UP, EV? Qingyuan Happy Mes. Nice Cars Zero Tata Indica Tata Nano Renault City EV Midden segment (C,D) XS 500 Wanxiang WXEV7050 BYD F6DM BYD F3e; F3DM Renault Megane EV Renault Kangoo EV BYD e6 Ford Mondeo PHEV? Toyota Prius Plug -in GM Volt Opel E -Flex Tesla Model S Ford (2) Connect EV Sport, SUV segment (G) Tesla Roadster Wanxiang ZN5490EV Fisker Automotive Figuur 2 Overzicht van (geplande) elektrificeringsprojecten in de auto-industrie in 2009 [3] Vrijstelling van spitstarief (bijv. London, Stockholm) Vrij parkeren (bijv. Frankrijk; London en andere plaatsen in Engeland) Speciale verkeersstroken voor elektrische voertuigen (bijv. Californië, VS) Samenwerkingsverbanden op verschillende niveaus voor het delen van ervaringen (bijv. VS, Duitsland) Figuur 1 Duurzaamheidstoets elektrisch rijden (Planbureau voor de Leefomgeving, 2009) 1.2 / Aan de vooravond van een transitie Anno 2010 heeft de inmiddels breed gedragen overtuiging dat elektrificering van het wegtransport zich goed verhoudt tot onze toekomstige duurzame energievoorziening zich vertaald in een veelheid aan nationale en regionale ambities om de transitie te bevorderen. Veel automerken hebben voor de komende jaren introducties van elektrisch aangedreven voertuigen aangekondigd (zie Figuur 2) en staan ongetwijfeld aan de vooravond van een vernieuwingsslag, die naar verwacht wordt enkele decennia in beslag zal nemen. Internationaal is er een enorme hoeveelheid initiatieven en overheidsmaatregelen ingevoerd of aangekondigd op zowel lokaal, nationaal als internationaal niveau om de ontwikkeling en implementatie van elektrisch rijden te bevorderen. Belangrijke activiteiten die nu al in uitvoering zijn [4]: Dankzij de industriële betrokkenheid en de massaal ingezette beleidsinitiatieven is er weinig twijfel dat er een transitie richting elektrisch rijden zal gaan plaatsvinden. Er zijn inmiddels vele studies verschenen over dit transitievraagstuk (zie o.a. [5]), die alle gemeen hebben dat ze nog veel vragen onbeantwoord laten. Moeilijk voorspelbare technologie- en marktontwikkelingen zullen in hoge mate bepalend zijn voor de snelheid en de vorm waarin de ontwikkelingen zich zullen voltrekken. De voorspellingen worden dan ook gekenmerkt door grote bandbreedtes. Figuur 3 laat deze bandbreedtes zien voor wat betreft de marktadoptie van elektrische voertuigen. Alle studies tonen een sterke toename na 2020. Specifiek voor Nederland lopen de schattingen over het aandeel van plug-in hybride en elektrische voertuigen eveneens sterk uiteen. ECN schatte in 2009 dat het mogelijk is dat het aandeel elektrische voertuigen van alle nieuwkopen 10% bedraagt in 2020 en 45% in 2040. In het Plan van Aanpak Elektrisch Rijden wordt verwacht dat het marktaandeel van elektrische voertuigen zich in 2040 stabiliseert rond de 75% (4,5 miljoen elektrische voertuigen). Stimuleringsprogramma s van de overheid (bijv. Frankrijk, België, Engeland, Ierland) Gereduceerde wegenbelasting (bijv. UK, Oostenrijk, Cyprus, Portugal) Gereduceerde BPM/registratieleges (bijv. Cyprus, Denemarken, Frankrijk, Ierland, Portugal) Aankoopsubsidies voor elektrische voertuigen (bijv. Engeland, België, Zweden) Financiële tegemoetkoming in de kosten van laadinfrastructuur (bijv. Engeland, Denemarken, Frankrijk) Financiële tegemoetkoming kosten demonstratieprojecten (bijv. Engeland, Duitsland, Frankrijk) Extra onderzoeksfinanciering (bijv. Duitsland, Engeland, VS, EU ( 500 miljoen, `Green Cars )) Standaardisatie (bijv. Engeland, Duitsland) 16 17

PHEV + BEV Het Plan van Aanpak Elektrisch Rijden omvat de intentie voor het financieel ondersteunen van in Neder- 100 McKinsey PHEV + BEV land gevestigde partijen die in onderzoek, ontwikkeling en de productie van (onderdelen van) elektrische New vehicle sales market share 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 EPRI PHEV NL PHEV + BEV BERR low PHEV + BEV BERR mid PHEV + BEV BERR high PHEV + BEV BERR extreme PHEV + BEV Shell TNO 2040 study scenario low PHEV + EV scenario high PHEV + EV voertuigen willen investeren, voor zover dit noodzakelijk is voor een succesvolle implementatie van elektrisch wegtransport. Dit betreft het onderzoeken en/of ontwikkelen van de benodigde batterijen, onderzoek op gebied van veiligheid en milieu, inpassing in de gebouwde omgeving en de rol van de gebruiker bij de ontwikkeling en marktintroductie. D-incert is door het secretariaat POWER gevraagd om in het eerste half jaar van 2010 een verkennende studie uit te voeren naar de state of the art van de technologische mogelijkheden op het gebied van elektrisch wegtransport en de sterkten van Nederland op het gebied van onderzoek en innovatie betreffende elektrisch vervoer. 2000 2010 2020 2030 2040 2050 2060 1.4 / Doel en reikwijdte van deze verkennende studie Figuur 3 Ramingen van het marktaandeel van nieuwverkopen voor plug-in hybride elektrische voertuigen (PHEV) en batterijelektrische voertuigen (BEV). [6] Deze verkennende studie heeft tot doel een leidraad te vormen voor gecoördineerde onderzoeksinspanning die ondersteuning biedt aan de achterliggende doelen van het Plan van Aanpak Elektrisch Rijden. In Met het omzetten van voornemens in investeringsbeslissingen komen er echter openstaande vragen en onzekerheden naar voren. Hoe snel zal de wereld in staat zijn om grote aantallen batterijpakketten het bijzonder gaat het om de identificatie en versterking van Nederlandse competenties en om de Nederlandse positie te versterken in het internationale speelveld rond elektrische mobiliteit. te produceren tegen een prijs die deze omschakeling mogelijk maakt? Onder welke voorwaarden zal de gemiddelde weggebruiker een elektrisch voertuig aan willen schaffen? Wat zal de dominante vorm worden van het bijladen van systemen? Snelladen, batterijwisselsystemen, of zullen hybride vormen van aandrijving nog lange tijd dominant blijven, die de inname van gasvormige en vloeibare brandstoffen (als De centrale vraagstelling in deze verkenning is: wat is de huidige stand van de techniek van elektrisch wegtransport en wat zijn de openstaande kennisvragen die moeten worden beantwoord om de transitie naar elektrisch wegtransport te versnellen? ook biobrandstoffen en waterstof) mogelijk maken? De beantwoording van deze vraag in deze verkenning moet leiden tot : 1.3 / Nederland en elektrisch wegtransport een bijdrage aan de objectieve kennisbasis die van belang is voor de strategiebepaling door het Formule E-team de identificatie van onzekerheden en kennisleemtes wat betreft de technologische aspecten van De Nederlandse regering heeft in het Plan van Aanpak Elektrisch Rijden van de ministers Eurlings elektrisch rijden en Van der Hoeven in juli 2009 de ambitie uitgesproken om Nederland in de periode 2009 tot 2011 tot gidsland en internationale proeftuin voor elektrisch rijden te maken. Drie beleidsinitiatieven moeten een belangrijke bijdrage gaan leveren aan de realisering van de geschetste doelstelling, te weten: Vanuit deze aanzet wordt vervolgens getracht een bijdrage te leveren aan de nationale onderzoeks- en innovatieagenda op gebied van elektrisch wegtransport. 1. De oprichting van het Formule E-team, met als opdracht het aanjagen van marktontwikkeling en het wegnemen van belemmeringen 2. Concrete rijksmaatregelen op het gebied van Praktijkproeven en demonstratieprojecten Launching customership De aandacht van deze verkenning richt zich in het bijzonder op de technologische ontwikkelingen rondom elektrisch rijden. Hoewel uiterst belangrijk voor de diffusiesnelheid van elektrisch rijden is de kennis noodzakelijk voor de ontwikkeling van flankerend beleid in deze studie buiten beschouwing gelaten. De basisvraag die aan deze verkenning ten grondslag ligt, is in hoeverre de technologie van het elektrisch rijden al marktrijp is. Laad- en infrastructuur Onderzoek en ontwikkeling en productie van elektrische voertuigen en/of onderdelen daarvoor Consortium- en coalitievorming Flankerend beleid 3. Gefaseerde marktintroductiebenadering onder coördinatie van het Formule E-team De verkenning is in twee delen gesplitst. Het eerste deel is gericht op het vaststellen van de kennisbasis en het identificeren van onzekerheden en kennislacunes. Het betreft hier een brede oriënterende studie. In het tweede deel staat de prioritering van onderzoeksvragen en innovatiekansen centraal. De voorziene kennisbehoefte van zowel bedrijfsleven als overheid en de in Nederland beschikbare expertise en R&D-infrastructuur worden bij elkaar gebracht. Het beoogde resultaat van deze tweedelige verkennende Medio 2010 is er binnen de drie beleidsinitiatieven een groot aantal activiteiten op gang gebracht. Zo studie is een nationale onderzoeks- en innovatieagenda op het gebied van elektrisch wegtransport. is het Formule E-team geïnstalleerd en wordt deze ondersteund door een onafhankelijk secretariaat POWER. Een belangrijke nevendoelstelling is om in een vroeg stadium groepen van deskundigen van verschillende kennis- en onderzoeksinstellingen te formeren rond de belangrijke elektrische mobiliteit thema s. 18 19

Dit netwerk moet de basis vormen voor een effectieve, goed afgestemde deskundigeninbreng in het transitievraagstuk. Ook moet het de transitie naar elektrische mobiliteit een plaats te geven binnen de diverse onderzoeks- en onderwijsprogramma s. Voertuigen, eigenaren en gebruikers kunnen op verschillende wijze worden gesegmenteerd: personen/ vracht, diesel/lpg/benzine, privé/zakelijk, veel/weinig kilometers, korte/lange afstanden, stedelijk/ platteland gebruik, fleetowners/private owners etc. De verschillen tussen de segmenten kunnen groot zijn wat betreft de kansen en/of belemmeringen voor de adoptie en diffusie van elektrische voertuigen. In deze studie wordt in eerste instantie een algemeen beeld geschetst van de kennis omtrent elektrische voertuigen. Indien van belang, wordt nader ingegaan op de kansen en/of belemmeringen binnen specifieke segmenten van de mobiliteitsmarkt. Om het belang van de kennisvragen in de tijd te positioneren wordt in Hoofdstuk 3 een beeld geschetst van de mogelijke ontwikkeling van de transitie zoals die op hoofdlijnen uit meerdere studies volgt. Op basis van de kennisvragen en de positionering van gewenst onderzoek in de tijd en de Nederlandse context, worden in Hoofdstuk 4 conclusies en aanbevelingen gedaan ten aanzien van de kennisagenda waar Nederland zich op moet richten. Definitie van elektrisch rijden Waar in de studie wordt gesproken over elektrisch rijden, wordt gedoeld op voertuigen die met elektriciteit uit het elektriciteitsnet gevoed kunnen worden. Het gaat dus zowel om plug-in hybrid electric vehicles (PHEV) als om volledig elektrische voertuigen (electric vehicles of BEV) die enkel batterijen als energieopslagsysteem kennen. Hybride voertuigen die enkel vloeibare of gasvormige energiedragers kunnen tanken, vallen buiten het kader van de studie. 1.5 / opbouw van de studie De kern van de studie wordt gevormd door een analyse van zes aandachtsgebieden (Hoofdstuk 1.5) die bij elektrisch vervoer van belang zijn. Per deelgebied wordt gestart met een overzicht van de huidige stand van de techniek en kennis, toekomstige ontwikkelingen en onzekerheden. Vervolgens worden kennisvragen geïdentificeerd die van belang zijn om de transitie naar elektrisch rijden te bevorderen. Voor de volgende aandachtsgebieden is deze analyse uitgevoerd: Elektrische Voertuigtechnologie Batterijtechnologie Laad-, betaal- en energie-infrastructuur Veiligheid en milieu Gebruikersperspectief Ruimtelijke en vervoerskundige inpassing van elektrische voertuigen Voor elk van de aandachtsgebieden is door D-incert een werkgroep opgesteld die deze analyse uitvoeren. De werkgroepen worden geleid door de volgende experts: 1. Prof.dr. Henk Nijmeijer (TU Eindhoven) Elektrische voertuigtechnologie 2. Prof.dr. Peter Notten (TU Eindhoven) Batterijtechnologie 3. Prof.dr.ir. Paul Bauer (TU Delft) Laad-, betaal- en energie-infrastructuur 4. Ir. Frank Rieck (Hogeschool Rotterdam) Milieu en veiligheid 5. Prof.dr. Jan Schoormans (TU Delft) Gebruikersperspectief 6. Prof.dr. Bart van Arem (TU Delft) Ruimtelijke en vervoerskundige inpassing 20 21

2. / stand Van zaken & ontwikkelingen elektrisch rijden

2.1 / inleiding Voor het beschrijven van een elektrisch voertuig zijn in essentie twee onderdelen van belang. Enerzijds het voertuig zelf, dat we zullen aanduiden met chassis en body, en anderzijds de manier waarop de aandrijving van motor naar wielen wordt gerealiseerd, de zogenoemde aandrijflijn. Bij het bouwen van een elektrische auto wordt vaak uitgegaan van een bestaande auto die omgebouwd wordt naar een elektrisch voertuig door met name aanpassingen in de aandrijflijn. Uiteraard worden op die manier concessies aan een optimaal ontwerp gedaan; immers gedeeltelijk is het ontwerp van het voertuig afkomstig van een optimaal ontworpen normale auto. Het is om deze reden dat veel van de onderzoeks- en marktontwikkelingen rond hybride en elektrische auto s zich op onderdelen van de complete elektrische auto richten. In de volgende secties wordt uitgegaan van deze twee aspecten. 4 Zie voor een overzicht van de verschillende typen elektrische auto s ook Bijlage I. De (technologische) ontwikkelingen in het veld van elektrisch rijden gaan snel en zijn zeer dynamisch. In dit hoofdstuk wordt voor de verschillende aandachtsgebieden de huidige stand van de techniek op een rijtje gezet en worden toekomstige ontwikkelingen en onzekerheden benoemd. Op basis hiervan worden per aandachtsgebied kennisvragen geformuleerd die beantwoord moeten worden om de transitie naar elektrisch rijden te versnellen. In het recente verleden zijn verschillende uitstekende buitenlandse studies verschenen met daarin toekomstscenario s en voorspellingen ten aanzien van de transitie (zie o.a. [7]). Dit hoofdstuk vormt een actualisering van deze overzichtsstudies maar doet geen voorspelling van de snelheid van transitie. De transitie naar elektrisch rijden wordt in deze verkenning niet gezien als afhankelijk van de tijd, maar als in belangrijke mate afhankelijk van de door de betrokken actoren gedane investeringen in R&D, innovatie en marktontwikkeling. In het volgende hoofdstuk wordt daarom op basis van de onzekerheden en kennisvragen aangegeven waar men aan moet werken om vervolgfasen in de transitie succesvol te kunnen bereiken. 2.2.2 / aandrijflijnen en range extenders In vergelijking met benzine auto s worden de aandrijflijnen van volledig elektrische auto s gekenmerkt door hun eenvoud. De belangrijkste componenten zijn de batterij, vermogens- en besturingselektronica en de gelijkstroom (DC) of wisselstroom (AC) motor. De elektromotor is hierbij meestal direct gekoppeld aan de drijfas middels een vaste reductie waardoor schakelen niet nodig is. Daarbij is de motor voor elke belasting ongeveer 90% efficiënt, versus 15-20% voor een benzine motor [8]. Verder is het ook mogelijk om de remmen te sparen door af te remmen op de motor, waarbij tevens de batterij weer een beetje wordt opgeladen, het zogenoemde regeneratief remmen. Figuur 4 en Figuur 5 geven schematisch de aandrijflijn van een elektrische/hybride auto weer. Range extender Oplaadpunt On-board Oplader Motor en powerelectronica Energieopslag 2.2 / elektrische Voertuigtechnologie Transmissie Elektro-motor Traction inverter AC/DC DC-DC convertor Batterij mgmt systeem Batterij cel balancering Koeling Prof.dr. Henk Nijmeijer. Mechanical Engineering, Dynamics and Control, TU Eindhoven Super Cap HV bus 2.2.1 / inleiding In deze paragraaf wordt de huidige `state-of-the-art van elektrische voertuigen bestudeerd, teneinde een inschatting te kunnen maken van toekomstige onderzoek- en marktontwikkelingen op dit gebied, en inzicht te verwerven in de mogelijkheden voor ontwikkeling van elektrische voertuig(componenten) in Nederland. De opbouw van deze paragraaf is als volgt. Na een korte terugblik op eerdere elektrische auto s wordt nader ingegaan op de essentiële componenten van een elektrisch voertuig, te weten, de aandrijflijn, de body en het chassis van een auto. De stand van zaken met betrekking tot de aandrijflijn (en range extender ) wordt weergegeven en de daarvoor geldende uitdagingen komen vervolgens aan bod. Aansluitend wordt dit ook gedaan voor de body en het chassis van een elektrische auto, gevolgd door een kort overzicht van de ontwikkelingen op het gebied van intelligente systemen. Aansluitend worden de markverwachtingen en verschillende productiesystemen besproken. De paragaaf eindigt met een blik op de nabije toekomst. Communicatie Figuur 4 Schematische weergave van de aandrijflijn van elektrische/hybride voertuigen Koeling We beschouwen die voertuigen die in zekere mate elektrisch aangedreven kunnen worden en hun energie (deels) uit een elektriciteitsnetwerk kunnen halen. Dit zijn dus BEVs (Battery Electric Vehicles), PHEVs (Plug-In Hybrid Vehicles) en REEVs (Range Extender Electric Vehicles). FCEVs (Fuel Cell Electric Vehicles) worden in deze paragraaf buiten beschouwing gelaten. 4 Figuur 5 Powertrain [9]; verschillende varianten van hybride en elektrische voertuigen. 24 25

Eén van de zwakke punten van de elektrische auto is echter de batterij. Deze is vooralsnog duur in de aanschaf, heeft een relatief lange oplaadtijd en een onduidelijke levensduur (zie paragraaf 2.3). De actieradius (range) van de elektrische voertuigen wordt bepaald door de prijs en het gewicht. De prijs en het gewicht van de huidige generatie batterijen is dermate hoog dat de actieradius van de huidige EVs beperkt is vergeleken met voertuigen met een interne verbrandingsmotor. Wanneer de voertuigen echter specifiek bestemd zijn voor lokaal verkeer hoeft dit geen probleem te zijn. Op dit moment (medio 2010) zijn er slechts twee snelweggecertificeerde en botsbeproefde elektrische personenauto s: de Tesla Roadster en de TH!NK City. De laatste is een 2+2 zits met een maximale snelheid van 100 km/u en een actieradius van 180 km. De Roadster daarentegen is een echte sportwagen: 0-97 km/u in 3.9 seconden en een begrensde topsnelheid van 201 km/u. Voor nog grotere afstanden, zoals haalbaar met conventionele brandstofauto s in een infrastructuur van tankstations, zijn range extenders nodig. Zonder afstandsonafhankelijkheid zal de elektrische auto namelijk niet snel de benzineauto kunnen vervangen. De meest bekende range extender is een relatief kleine benzine of diesel motor, waarmee de EV een serieel hybride personen auto wordt. Een speciale plaats wordt momenteel ingenomen door de zogenoemde specials die vooral gebruikt worden in niche marktomgevingen. Voorbeelden hiervan zijn onder andere de elektrische vuilniswagen (Binkie van Spijkstaal) maar ook stedelijk transport komt hiervoor steeds meer in aanmerking. Naar verwachting zal juist deze ontwikkeling de komende jaren van essentieel belang zijn voor de verdere elektrificatie van het vervoer. Specifiek voor dit type van elektrisch vervoer is het aanvaardbaar dat zaken als actieradius en comfort minder zwaar wegen, terwijl dergelijke concessies voor het gewone gebruik vooralsnog onaanvaardbaar zijn. Na het succesverhaal van de Toyota Prius en de goedkopere Honda Insight zijn de meeste grote autofabrikanten vandaag de dag bezig met de ontwikkeling van hybriden. Interessante nieuwkomer is hierbij de Chinese batterijenfabrikant BYD (Build Your Dream) die zich met de BYD F0, F3, F6, G3 en S8 hybride modellen snel een rol op de Chinese markt heeft verworven, overigens voorlopig nog met een beperkt aantal hybriden; in 2009 zijn er minder dan 100 van verkocht. De snelle ontwikkeling van dit bedrijf is ook deels te verklaren vanuit de ambitie van China om tegen 2012 één van de wereldleiders te zijn op het gebied van elektrische en hybride voertuigen [10]. 2.2.3 / Chassis en body Designs van elektrische auto s zijn vooralsnog veelal gebaseerd op bestaande modellen. Zo is de Tesla Roadster gebaseerd op het chassis van de Lotus Elise en was het prototype voor de Nissan Leaf gebaseerd op de Nissan Tiida. Dit is ook logisch aangezien het chassis en de vering in principe los staan van de aandrijflijn, waardoor op dat vlak beproefde en geoptimaliseerde concepten te prefereren zijn. De definitieve versie van de Nissan Leaf is geheel ontworpen als een volledig elektrische auto. Op dit punt hebben bestaande autofabrikanten een duidelijke voorsprong op nieuwkomers. Nieuwkomers moeten namelijk een licentie nemen op een bestaand ontwerp, zoals het geval van bijvoorbeeld de ZX40 [11] of de prototype van de ZENN Motor Company [12], dan wel jaren investeren in een eigen ontwerp. Dit laatste traject is bewandeld door TH!NK Global voor de ontwikkeling van hun TH!NK City, een proces waarbij ze drie keer zijn overgenomen en op de rand van faillissement hebben gebalanceerd [13]. Efficiency is erg belangrijk voor elektrische auto s, aangezien het direct gekoppeld is aan de actieradius die bestreken kan worden op een enkele laadcyclus van de batterij. Daarom wordt voor de body veelal gebruik gemaakt van kunststof of andere lichtgewicht materialen. Voor elektrische voertuigen die ook hogere snelheden halen, is verder een aerodynamisch ontwerp erg belangrijk. Naast de nieuwe designs zijn er ook talrijke kleine bedrijven die zich specialiseren in de elektrificatie van bestaande auto s. Interessante voorbeelden hiervan zijn het Nederlandse All Green Vehicles en Electric Cars Europe. De plaatsing van de batterijen is een probleem bij zowel de ombouw als ook bij het ontwerp van nieuwe elektrische voertuigen. Het beïnvloedt namelijk niet alleen de gewichtsverdeling en de beschikbare laadruimte, maar ook de (bots-)veiligheid. Figuur 6 Belangrijkste componenten van hybride/elektrische voertuigen. De afzonderlijke blokken vormen componenten die essentieel zijn voor de ontwikkeling van nieuwe en verbeterde voertuigen en onderwerp van studie en ontwikkeling in het HTAS-EVT-programma [14]. 2.2.4 / Intelligente systemen en driver guidance Wat betreft intelligente systemen is er op dit moment weinig verschil tussen elektrische en conventionele voertuigen. State-of-the-art intelligente of driver guidance systemen zijn bijvoorbeeld ESC (Electronic Stability Control), ACC (Adaptive Cruise Control), lane-keeping, TomTom en parking assist. Wel hebben sommige elektrische auto s nu al elektrische stuurbekrachtiging. Het is duidelijk dat slimme routeplanners, rekening houdend met de meest actuele verkeersinformatie in belangrijke mate kunnen bijdragen aan het succesvol invoeren van elektrisch vervoer. Kennis is aanwezig of in ontwikkeling in Nederland binnen de Strategic Platform for Intelligent Traffic Systems (SPITS) en High-Tech Automotive Systems (HTAS)-programma s. 2.2.5 / Productie systemen Volledig elektrische voertuigen zijn relatief eenvoudig te maken uitgaande van bestaande gewone auto s maar worden op dit moment over het algemeen alleen kleinschalig geproduceerd. Zo is bijvoorbeeld het Nederlandse All Green Vehicles een kleine fabriek aan het opzetten in Noord Brabant voor de levering van elektrische voertuigen aan overheden, importeurs en lease maatschappijen, die zij voorlopig zien als aanjagers van elektrische mobiliteit. Uitzonderingen hierop zijn de REVA/G-Wiz van RECC en de hybride productielijnen van Toyota, Honda, Ford en BYD die in serie en massa produceren. 26 27

Verder zullen elektrische voertuigen behoorlijke eisen gaan stellen met betrekking tot aanpassingen in de infrastructuur. Hierbij kan gedacht worden aan bijvoorbeeld de oplaadpunten of batterijwisselstations. Hiervoor, als ook voor algemeen onderhoud, heeft een modulaire opbouw van elektrische voertuigen de voorkeur2. Deze is er op dit moment echter nog niet. Binnen het 3TU samenwerkingsproject c mm n is het modulair ontwerpen van EVs één van de onderzoeksthema s [15]. 2.2.6 / Toekomstige ontwikkelingen: kennisvragen Uit het voorgaande blijkt dat het concept van de elektrische auto s nog sterk in ontwikkeling is. Bij veel grote automobielfabrikanten (Original Equipment Manufacturers of OEMs) gaat deze ontwikkeling veelal via een tussenstap van hybride auto s. Anderzijds is er, ook gelet op de vraag van overheid en gebruiker, een toenemende behoefte aan volledig elektrische auto s. Een optimaal ontworpen volledig elektrische auto biedt echter zeer grote uitdagingen zolang er geen concessies gedaan mogen worden aan range, comfort, veiligheid, wegligging en snelheid. Het ontwikkelen van een volledig elektrische auto vindt, zeker buiten de OEMs, veelal op een modulaire basis plaats. Met name het HTAS-EVT-rapport [16] biedt een actuele weergave van onderzoeksvragen met betrekking tot componenten voor een elektrisch voertuig. Voor Nederland biedt de modulaire aanpak zowel voor kennisinstellingen als voor (automotive) industrie volop kansen [16]. In de volgende paragrafen wordt een aantal van de belangrijkste uitdagingen rond de belangrijkste onderdelen van een elektrische auto van beschreven. Gezien de stormachtige ontwikkelingen is dit uiteraard geen volledig overzicht en kunnen er kruisverbanden zijn tussen de genoemde uitdagingen. 2.2.7 / Toekomstige ontwikkelingen van de aandrijflijn en range extenders Het probleem met de hybriden is dat ze nog steeds fossiele brandstof verbruiken en door het grotere gewicht niet alleen minder sportief rijden maar ook niet significant zuiniger zijn dan een groot aantal conventionele diesel modellen. Om die reden wordt er volop onderzoek gedaan naar zogenaamde plug-in hybriden (PHEV), die thuis kunnen opladen aan het elektriciteitsnet. Is de toekomst volledig elektrisch, of worden plug-in hybrides dominant? Op het moment dat volledig elektrisch aangedreven voertuigen op enige schaal hun intrede gaan doen in het publieke segment, wordt het noodzakelijk om een openbare laadinfrastructuur voor onderweg aan te leggen (snellaadsystemen, batterijwisselstations of inductieve systemen). De snelheid van die ontwikkeling hangt in belangrijke mate af van de ontwikkelingen op batterijgebied (vergroting van de actieradius, verlaging van prijs en gewicht). Een belangrijke vraag is hoe ver de batterijtechnologie zich ontwikkeld moet hebben voordat volledig elektrisch vervoer voor het brede publiek competitief kan worden met plug-in hybride systemen, die geen bijzondere laadfaciliteiten onderweg vragen. In dit verband zijn de resultaten van een recente Duitse studie interessant. Op basis van statistische gegevens met betrekking tot vervoersbewegingen in Duitsland is door Lunz et al. [17] afgeleid dat 60% van het diesel- en benzinegebruik vermeden kan worden door plug-in hybrides met een batterijpakket dat een maximale elektrische actieradius van 50 km biedt. Dit percentage geldt indien het voertuig enkel s nachts wordt opgeladen. Als tussen de ritten door ook langzaam bijgeladen kan worden (bijvoorbeeld op parkeerplaatsen of bij de werkgever), stijgt het aantal vermijdbare benzine of diesel kilometers tot bijna 80%. Bij een dubbel zo groot batterijenpakket stijgen deze percentages tot 78 en 85% (zie grafiek linksonder). Ter vergelijking: een volledig elektrisch voertuig, dat zich nog niet kan verlaten op laadfaciliteiten onderweg en dus niet voor langere ritten gebruikt kan worden, vermijdt volgens Lunz met een batterijenpakket dat een vervoersafstand van 80 km toestaat en bij alleen nachtoplading 50% van de benzine of diesel kilometers. Bij tussentijds langzaam laden stijgt dit tot 73% (grafiek rechtsonder). Afhankelijk van de gewenste range, het gebruik en type voertuig, zullen uiteenlopende hybride auto s ontwikkeld gaan worden waarbij enerzijds een combinatie van brandstofmotor en elektrische motor gekozen wordt maar waarbij anderzijds ook onderscheid tussen seriële en parallelle hybride voertuigen zal ontstaan. Een belangrijke ontwikkeling in deze richting zal, naar verwachting, komen te liggen in nog te ontwikkelen range extenders, waarbij twee varianten potentie hebben (zie Kader 1). Voor een incidentele grotere range kan een brandstof range extender ontwikkeld worden die in voorkomende gevallen bijgeplaatst wordt, terwijl een kleinere range extender als meer permanente oplossing ingebouwd kan worden. Ieder van de genoemde hybride varianten brengt specifieke vragen met zich mee rond het efficiënte en energieoptimale gebruik van de aandrijflijn. Een gerelateerde ontwikkeling, die een weer andere regeling van de aandrijflijn vereist, betreft de zogenoemde in-wiel motoren, waarbij vier (of eventueel twee) elektromotoren in de wielen aangebracht worden. Uiteraard kunnen de hier weergegeven ontwikkelingen rond de aandrijflijn niet volledig los gezien worden van de specifieke voertuigeigenschappen en spelen ontwikkelingen rond body en chassis hierbij ook een rol. PHEV: fractie elektrisch afgelegde kilometers EV: fractie van de afgelegde autokilometers als functie van de batterijgrootte als functie van de batterijgrootte (VMT = vehicle miles travelled) Een belangrijke conclusie is dus dat het overgrote deel van het milieueffect en de aardoliebesparing met een bescheiden batterijenpakket in een plug-in hybride kan worden gehaald wanneer een relatief eenvoudig aan te leggen langzaam-laad infrastructuur (220V, 16A, 1 fase) beschikbaar is bij huis en in de publieke ruimte. Een volledig elektrisch aangedreven voertuig met een voor de gemiddelde consument acceptabele actieradius (zeg 500 km) heeft een 10 keer groter batterijenpakket nodig, waarmee (tegen vooralsnog hoge meerkosten) slechts 20% extra milieuvoordeel wordt bereikt en waarvoor bovendien laadinfrastructuur langs de snelweg moet worden ontwikkeld. Overigens is het extra milieuvoordeel vermoedelijk nog kleiner. In de eerste plaats treden bij snelladen als dat tenminste de dominante laadtechnologie zou worden relatief grote energiever- 28 29

liezen op als gevolg van de forse elektrische stromen (honderden ampères). In de tweede plaats bepaalt het totaalgewicht van de auto mede het energiegebruik. De vraag is dus hoe een groot batterijenpakket zich qua gewicht zal gaan verhouden tot een hybride voertuig (bijvoorbeeld een elektrisch voertuig uitgerust met een compacte range extender die de batterij voedt). Indien een moderne hybride vorm een belangrijke gewichtsreductie zou geven ten opzichte van een volledig elektrisch voertuig dat voldoende actieradius geeft, wordt het extra milieuvoordeel van volledig elektrisch vervoer in vergelijking met hybride voertuigen dus kleiner. Daarbij is er veel tijd nodig voor de ontwikkeling van batterijpakketten die een actieradius van vele honderden kilometers voor de gemiddelde particuliere autobezitter toegankelijk maken. Tijdens die periode kunnen ontwikkelingen zich voordoen op het gebied van biobrandstoffen en/of waterstof. In dat geval worden de 20% niet-elektrische kilometers dus ook gedekt door duurzamere alternatieven dan aardolieproducten. Kader 1 Volledig elektrisch of plug-in hybride? [17] Naast de hiervoor aangegeven ontwikkelingen die rechtstreeks betrekking hebben op de aandrijflijn, zijn er ook ontwikkelingen die meer indirect invloed hebben op het elektrische voertuig. Een flink aantal landen heeft afspraken met autofabrikanten om de infrastructuur te voorzien van oplaadpunten voor plug-in hybriden en volledig elektrische voertuigen. Voorbeelden van plug-in hybriden zijn de GM Volt (Opel Ampera) en de goedkopere BYD F3DM [8]. Het (plug-in) hybridiseren is niet de enige manier om de actieradius van elektrische voertuigen te vergroten. Het in 2007 opgerichte Better Place heeft in Japan in 2009 het eerste demonstratieproject met een batterijwisselstation gerealiseerd. Hier kan in ongeveer 2 minuten tijd een lege voor een volle batterij worden gewisseld. Renault en Nissan hebben ondertussen een samenwerkingsovereenkomst gesloten om samen een netwerk van wisselpunten en de hiervoor geschikte elektrische voertuigen te ontwikkelen. Better Place koopt daarbij grootschalig duurzame energie in tegen voordelige tarieven. Gebruikers kunnen een abonnement afsluiten voor de service. Naast Japan hebben ook Israël, Denemarken, Australië, de VS (Californië), Hawaï en Canada afspraken gemaakt met Better Place voor het opzetten van een elektrisch voertuigennetwerk [16]. Begin 2010 is in Israël een testproject begonnen. Tenslotte zijn zonnepanelen op de daken van elektrische auto s de laatste vorm van range extenders die op dit moment soms wordt gehanteerd. Zo heeft bijvoorbeeld de 2010 Toyota Prius een optie voor zonnepanelen voor de airconditioning als het voertuig geparkeerd is. Overigens, het energiepotentieel van een dergelijke toevoeging is uiteraard zeer beperkt en zal de actieradius niet of nauwelijks vergroten. 2.2.8 / Toekomstige ontwikkelingen in intelligente systemen en driver guidance Voor wat betreft intelligente systemen en driver guidance zijn er op voorhand geen specifieke ontwikkelingen voorzien die exclusief met elektrische auto s te maken hebben. Naar verwachting is dit wel een gebied waar in de komende jaren veel voortgang te verwachten is. Nederland is met zijn grote verkeersdichtheid (en de daarmee samenhangende files) een land waar dergelijke ontwikkelingen van grote invloed zijn. In de HTAS Visie op Mobiliteit [14] worden toekomstige ontwikkelingen in deze richting geschetst. Deze zullen onverkort van waarde blijken bij de verdere ontwikkeling naar hybride en elektrische auto s. Nederland heeft bij uitstek de kennisinstellingen en technologiebedrijven om op dit gebied een voorloper te zijn. Een concrete invulling van betrokken partijen is opgenomen in het eerder genoemde HTAS rapport. 2.2.9 / Toekomstige ontwikkelingen van chassis en body Zoals gezegd, zijn er voor het chassis en body nog vele uitdagingen. Een volledig elektrisch voertuig heeft vanwege zijn specifieke eigenschappen te voldoen aan de nodige veiligheidseisen (zie ook paragraaf 2.5). Ondanks het gebruik van (reeds genoemde) lichtgewicht materialen voor de body kan het onvermijdelijk zware batterijpakket van grote invloed zijn op een goede wegligging en op de veiligheid van het voertuig. Omdat iedere kilogram vooralsnog telt in een elektrisch voertuig, wordt ook aandacht besteed aan banden met een lage rolweerstand. Ook hier is een potentieel conflict aanwezig met de eis dat de band voldoende grip moet hebben en beperkte band-weg-geluid mag veroorzaken. Omdat de actieradius van een elektrisch voertuig beperkt is, wordt tot slot ook onderzoek gedaan (o.a. HTAS) om het energieverbruik van de overige systemen zoals verwarming, airconditioning, deurvergrendeling en verlichting omlaag te brengen. 2.2.10 / Conclusies De grote autofabrikanten schijnen een geleidelijke elektrificatie van hun producten na te streven, waarbij eerst de transitie wordt gemaakt naar hybriden en vervolgens via plug-in hybriden naar volledig elektrisch. Veel landen zetten zich actief in voor elektrische voertuigen. In hoeverre Nederland hier aan mee moet doen, is een belangrijke vraag. In ieder geval lijkt het zinvol om zeer actief de ontwikkelingen te volgen en daar waar mogelijk ook actief deel te nemen. De automotive markt is ook voor Nederland een zeer grote markt en het is zeer de moeite waard om tijdig in te spelen op de te verwachten grote veranderingen. Het is zeker niet uitgesloten dat er in de markt rond elektrisch vervoer nieuwe niche markten zullen ontstaan, mogelijk ook in Nederland. Hoewel de grote autofabrikanten voorzichtig inzetten op elektrische voertuigen, zijn het voornamelijk kleine en relatief nieuwe bedrijven die de grootste aanjagers lijken te zijn van volledig elektrisch rijden. De kleinschaligheid kan echter op de langere termijn een bottleneck gaan vormen voor deze bedrijven als ze de concurrentieslag aan moeten gaan met de grote Aziatische autofabrikanten [14]. Eén van de belangrijkste onderzoeksthema s blijft de batterij. Als deze goedkoper, duurzamer en lichter kan worden vervaardigd, zal de transitie naar elektrisch rijden ook sneller verlopen. Daarnaast zal echter ook meer onderzoek nodig zijn op het gebied van range extenders. Verder zijn in-wheel motoren ook een interessante optie om het rijgedrag van elektrische voertuigen verder te verbeteren. Op het gebied van intelligente systemen -hoewel niet slechts voorbehouden aan elektrische voertuigenzijn ook vele onderzoeksthema s aan te wijzen. Eén van de meest aansprekende lijkt daarbij het zogenaamde autonoom rijden. Als voertuigen zelfstandig dichter op elkaar kunnen rijden, zal er namelijk minder filevorming zijn. Daarnaast wordt hiermee de luchtweerstand verlaagd, zodat er efficiënter gereden kan worden, iets wat zeker voor het vrachtverkeer van belang lijkt. In Nederland is reeds veel kennis aanwezig bij de partners van het HTAS-programma. In Kader 2 is een overzicht van projecten uit het HTAS Electric Vehicle Technology programma gegeven. De projecten geven invulling aan een groot aantal van de gesignaleerde uitdagingen ten aanzien van de voertuigtechnologie die in deze paragraaf zijn beschreven. 30 31

HTAS innovatieprogramma Electric Vehicle Technology Medio 2009 is het HTAS innovatieprogramma Electric Vehicle Technology (EVT) van start gegaan. In dit programma staan vijf thema s centraal: chassis & body, powertrain, control, auxiliary equipment en overig (design, development, engineering, interfaces with infrastructure). In mei 2010 heeft de Minister van Economische Zaken de projecten bekend gemaakt die zullen worden gesubsidieerd vanuit het HTAS-EVT programma. De geselecteerde tien projecten verkeren nog in de ontwikkelfase, maar een belangrijke eis voor de toekenning is dat de innovaties bijna in productie kunnen worden genomen. De projecten zijn: TomTom, TNO, Quipment Group, E-laad.nl en o.a. Renault en Prestige Taxi Centrale ontwikkelen navigatieapparatuur voor de bestuurders van elektrische auto s. Deze apparatuur voorspelt de actieradius nauwkeurig en houdt daarbij rekening met het weer, verkeer, route en laadpunten. Gemco E-trucks, TNO, DAF, Icova en Truckland gaan voor de gemeente Amsterdam een prototype van een plug-in hybride vuilniswagen ontwikkelen. PDE-automotive, Philips Apptech, Drivetrain Innovations werken ook aan de ontwikkeling van een toekomstige stadsvrachtwagen via een prototype van een volledig hybride vuilniswagen. All Green Vehicles, Centric Automotive, Drivetrain Innovations, Epyon, NXP, Philips Apptech en TU/e starten een project om de componenten van elektrische/hybride aandrijflijn te integreren Mr Green Holding, Technolution, SP-Innovation, Wetac, TU Delft, TNO en KEMA ontwikkelen een systeem waarmee de integrale kostprijs per kilometer en de restwaarde van accu s kan worden bepaald. Dit kan zeer bruikbaar zijn voor leasemaatschappijen omdat hiermee bijvoorbeeld de precieze kilometerprijs kan worden berekend. Sycada/Remotion, Zero Emission Mobility (Zwitserland) en RDM Automotive (Engeland) werken aan de verbetering van batterijen waardoor de actieradius wordt vergroot. Ook Peec Power, MTT (Micro Turbine Technology) en AGV werken aan diverse oplossingen voor het verlengen van de actieradius. Gear Chain Industrial, Gemco E-trucks en TU/e bekijken hoe voor zware voertuigen de energie bespaard kan worden die nodig is bij de overbrenging van de elektromotor naar de wielen. Teamwork Technology, Lightweight Structures, WE Engineering, TU/e en Vredestein zijn bezig met een lichtgewicht wielophanging met wielnaafmotor voor een volledige (elektrische) wielmodule. Gemco E-trucks, Advanced Electromagnetics, Hogeschool Arnhem-Nijmegen en Motio Development werken aan de ontwikkeling van een modulair platform dat als basis zal dienen voor de ontwikkeling van hybride- en elektrische auto s, van bestelwagen tot zware vrachtwagens. Kader 2 Projecten in het kader van HTAS Electric Vehicle Technology programma 2010 Het modulair ontwerpen van elektrische auto s krijgt nog weinig aandacht in de HTAS-EVT-programmering. Het lijkt echter verstandig juist hierop te focussen, waarbij dynamisch rijgedrag en efficiënt gebruik van de beschikbare ruimte centraal staan, in plaats van op verdere elektrificatie van bestaande concepten. 2.3. / Batterijtechnologie Prof.dr. Peter H.L. Notten. Energy Materials and Devices, TU/e (voorzitter) Mw.ir. Petra D.M. de Boer-Meulman. Smart Grid and Energy Systems, KEMA Dr. Erik M. Kelder. Li-ion Batterijen en Materialen, TU Delft 2.3.1 / Inleiding De batterij vormt in veel opzichten het sleutelcomponent van elektrische voertuigen [18]. Dit heeft in hoge mate te maken met de extreem hoge efficiëntie van de energieconversie als gevolg van de afwezigheid van de zogenoemde Carnot cyclus. Bij conversies waar warmte bij betrokken is, veroorzaakt de Carnot cyclus grote verliezen. Afhankelijk van de laad/ontlaad-, temperatuur- en levensduuromstandigheden van herlaadbare batterijen vindt opslag en afgifte veelal plaats met een efficiëntie van boven de 95%. De vooruitzichten voor de introductie(snelheid) van elektrisch vervoer zijn in belangrijke mate afhankelijk van de prestatie- en prijsontwikkeling en het productievolume van batterijenpakketten. Er ontstaan nieuwe markten voor wat betreft grondstoffenhandel en productie, assemblage, batterijmanagement systemen en commerciële dienstverlening (lease constructies, enzovoort). Ook het second-life en recycletraject vormen grote uitdagingen die medebepalend zijn voor het integrale milieuprofiel van elektrisch aangedreven voertuigen, voor de toekomstige beschikbaarheid van grondstoffen en voor de commerciële haalbaarheid. Wat is bijvoorbeeld de restwaarde van een batterij en hoe kunnen batterijen tijdens hun levensduur optimaal worden ingezet? Welke factoren bepalen de levensduur en hoe verhouden die zich tot alternatieve oplaadsystemen en voertuigconfiguraties als (plug-in) hybrides (serieel of parallel) versus volledig elektrisch aangedreven voertuigen? 2.3.2 / State-of-the-art elektriciteitsopslag Opslag van elektriciteit kan op verschillende manieren plaats vinden, in bijvoorbeeld supercondensatoren, redox-flowcellen en verschillende soorten herlaadbare batterijen [19]: In supercondensatoren vindt opslag van elektriciteit op een fysische manier plaats aan het grensvlak van elektrodes en een vloeibare elektrolyt dat ionen bevat. Het grote voordeel hiervan is dat elektriciteit extreem snel kan worden opgeslagen en weer afgegeven. Deze systemen staan daarom bekend als hoogvermogend. Het fysisch principe hiervan is dat elektronen in geleidende materialen zich heel snel kunnen bewegen en dat de ionen in de vloeistof maar een heel kleine afstand (miljoensten van een millimeter) hoeven te overbruggen. De opslagcapaciteit van deze vloeistofsystemen is echter sterk gelimiteerd omdat alleen de grootte van het oppervlak bepalend is voor de hoeveelheid elektriciteit die kan worden opgeslagen. De bulk van de elektrodematerialen wordt niet bij de opslag betrokken en de opslagcapaciteit kan daarom nooit concurreren met die van supercondensatoren. De enige manier om deze concurrentie wel aan te kunnen, is door de potentiaal aanzienlijk te verhogen tot extreme waardes van meer dan 1000 V, hetgeen met vloeibare systemen onmogelijk is. Er zijn onderzoekers die claimen dat vaste-stof condensatoren met een vaste-stof elektrolyt wel concurrerend zouden kunnen zijn. Elektriciteitsopslag in redox-flowcellen en herlaadbare batterijen vindt plaats middels conversie van elektriciteit in chemische deeltjes waarvan de valentietoestand verandert tijdens stroomdoorgang. In deze systemen worden de energiedragende deeltjes opgeslagen in vloeistoftanks (in het geval van redox-flowcellen) of in de elektrodes zelf (in het geval van herlaadbare batterijen). 32 33

Bij batterijen is de energieopslagcapaciteit direct gekoppeld aan het te leveren vermogen; in het geval van redox-flowcellen zijn deze twee grootheden volledig van elkaar gescheiden zoals dat ook het geval is bij de werking van brandstofcellen. Redox-flowcellen zijn als kleine opslagsystemen vooralsnog onaantrekkelijk vanwege het gebruik van agressieve chemicaliën (met het daarbij behorende risico op lekkages) en de relatief lage energiedichtheid. Herlaadbare batterijen hebben dus de voorkeur als opslagmedium in elektrische voertuigen. Afhankelijk van de dimensionering zullen batterijenpakketten al dan niet gecombineerd kunnen worden met andere systemen in voertuigen. 2.3.3 / Lange-termijn ontwikkelingen batterijen De lange-termijn ontwikkelingen ten aanzien van elektrisch aangedreven vervoersmiddelen richten zich op de door de automotive sector zelf gedefinieerde doelen [20-23]: Energiedichtheid van minimaal 200 Wh/kg Vermogensdichtheid van minimaal 1000 W/kg gedurende normaal gebruik Kostenreductie tot een kostprijs van maximaal 150 /kwh Verbeterde veiligheid onder alle omstandigheden Levensduur van minimaal 10 jaar met een cycle-life van minimaal 2500 cycli Werktemperatuur tussen -40 ºC to 60 ºC Gebruik van duurzame, milieuvriendelijke en ruim beschikbare materialen De belangrijkste doelen zullen afzonderlijk worden toegelicht: Energiedichtheid De energiedichtheid van een batterij wordt gegeven in kwh/kg (gravimetrische energiedichtheid) of in kwh/l (volumetrische/specifieke energiedichtheid). Daarbij worden batterijen veelal geclassificeerd in hoog-vermogen of hoge-energie batterijen. De hoog-vermogen batterijen hebben hierbij doorgaans een lagere energiedichtheid, wat te maken heeft met de hoeveelheid inactief materiaal benodigd om het gewenste vermogen te kunnen leveren. De twee andere belangrijke factoren die bij de energiedichtheid een rol spelen, zijn de spanning (V) waarbij de batterij functioneert en de hoeveelheid elektronen die het per gewichtseenheid kan opslaan in chemische vorm (Ah/kg). De huidige Li-ion batterijen, die gebaseerd zijn op lithiumijzerfosfaat en koolstof dan wel lithiummangaanoxide en lithiumtitanaat, voldoen momenteel nog niet aan de gestelde eis van hoge energiedichtheid. Deze systemen zijn echter toch reeds interessant omdat ze andere goede eigenschappen combineren zoals hoog-vermogen, levensduur en veiligheid. Omdat de energiedichtheid relatief gering is, zullen er andere combinaties van materialen gezocht moeten worden die ook op dit gebied goede eigenschappen vertonen en aan de eis van 200 Wh/kg kunnen voldoen. Vermogensdichtheid De gevraagde vermogensdichtheid voor een EV (1000 W/kg) is aanzienlijk lager dan voor een HEV (2000 W/kg), hetgeen direct te maken heeft met de grootte van het in te bouwen batterijsysteem. In detail zijn de gevraagde vermogensdichtheden voor een EV: 400 W/kg gedurende normaal gebruik bij vijf uur ontladen, 1000 W/kg gedurende 2 minuten ontladen en 2000 W/kg gedurende 10 seconden ontladen. Het is dus van belang dat de batterij gedurende een korte periode heel snel veel vermogen kan afgeven. Voor de langere periodes zijn deze eisen wat minder hoog. Daarnaast is het van belang dat de remenergie ook in batterijen kan worden opgeslagen hetgeen tot een aanzienlijke energiebesparing leidt. Men heeft berekend dat zo n 15% van de energie terug gewonnen kan worden, aannemende dat de batterijen deze vermogens onder alle omstandigheden goed kunnen accommoderen. Hierbij moet worden opgemerkt dat de ladingstoestand van de batterijen een grote rol speelt in de vermogensdichtheid die een batterij kan leveren en/of accommoderen [21, 23]. Kostenreductie Kostenreducties voor de batterijen liggen niet alleen in het vinden en ontwikkelen van nieuwe duurzame materialen maar ook in de behuizing, veiligheidssystemen en de fabricage van al die onderdelen. Voor een Li-ion of Li-polymeerbatterij dragen de kathode- en elektrolytmaterialen sterk bij aan de kostprijs (respectievelijk 50% en 25% van de materiaalkosten). Maar ook de opbouw van grote batterijenpakketten met de daarbij behorende koelingsfaciliteiten en de veiligheids- en (ont)laad elektronica is nog steeds een hoge kostenpost, momenteel in de orde van grootte van 50% van het totale batterijpakket [24]. Met name de overgang naar massaproductie kan een sterke kostenreductie met zich meebrengen. Ondanks deze mogelijkheden voor kostenreductie is het de vraag of de beoogde 150 /kwh haalbaar is. Dit zal in ieder geval nog veel ontwikkelingen en innovaties vergen. Veiligheid De geopperde Li-ion batterijen zijn momenteel minder veilig dan loodzuur, nikkel-cadmium en nickelmetaalhydride (NiMH) batterijen. Juist in een elektrische auto speelt veiligheid een belangrijke rol. Om de veiligheid te garanderen worden er chemische veiligheidsystemen ingebouwd, zoals additieven die de chemische stabiliteit van de actieve componenten kunnen waarborgen alsmede temperatuurgevoelige membranen die bij oververhitting dichtslaan en daarbij de kortsluitstromen blokkeren. Ook de behuizing van de batterijen speelt hierbij een rol, bijvoorbeeld door het aanbrengen van veiligheidsventielen. Daarbij zijn er een aantal externe veiligheidssystemen aanwezig om het veilig laden en ontladen te regelen: het zogenoemde batterijmanagement systeem (BMS). Het aanbrengen van deze extra veiligheidssystemen brengt echter extra materialen in de batterij, wat ten koste gaat van de doelstellingen voor energiedichtheid en kosten. Levensduur De levensduur van herlaadbare batterijen wordt doorgaans gegeven in het aantal cycli dat er geladen en ontladen kan worden (cycle life) en wordt bepaald tot op het moment dat de capaciteit gedaald is tot 80% van de initiële capaciteit. Daarnaast speelt de gewone levensduur een rol (calendar life). Dit laatste aspect is voor moderne herlaadbare batterijen doorgaans ondergeschikt geworden aan de cycle life. De huidige systemen zijn veelal ontwikkeld voor laptop computers en mobiele telefoons, die slechts drie jaar meegaan en dan tot zo n 300-400 maal geladen en ontladen worden. Voor tractiedoeleinden liggen de eisen echter een stuk hoger, waardoor er nog veel werk gedaan moet worden om deze levensduur te verlengen. Voor het Li-ion batterijsysteem zijn er nieuwe materialen ontwikkeld die hieraan kunnen voldoen. De energiedichtheid bij deze systemen is echter nog te laag. Werktemperatuur De werktemperatuur en tijdelijke hoge temperaturen hebben een dramatische invloed op de levensduur van de batterij. Dit probleem wordt op verschillende wijzen benaderd. Allereerst worden er materialen en additieven ontwikkeld die zorgen voor een stabiel systeem. Voor tractiedoeleinden is het tevens mogelijk om het batterijsysteem actief (of passief) te koelen. Daarbij kan in geval van extreem lage temperaturen bezien worden of het systeem actief of passief op temperatuur gehouden kan worden door respectievelijk interne ontlading en isolatie. 34 35

Milieuvriendelijkheid, beschikbaarheid en recycleerbaarheid van batterijmaterialen Batterijen hebben sinds jaar en dag het etiket van potentieel milieuonvriendelijk door het gebruik van zware metalen en andere giftige en etsende chemische stoffen. In de huidige batterijsystemen zitten veelal overgangsmetalen als nikkel, kobalt, mangaan maar ook lithium. De wereldvoorraad ten aanzien van deze materialen wordt bij grootschalig gebruik op termijn sterk onder druk gezet. Er zal daarom gekeken moeten worden naar grondstoffen die beter beschikbaar en milieuvriendelijker te delven zijn. Het is ook duidelijk dat recycling een belangrijk onderdeel gaat vormen voor het terugwinnen van deze grondstoffen. Daarnaast kan de milieubelasting worden beperkt door de levensduur van batterijen te verlengen, bijvoorbeeld door ze in een second-life toepassing zo lang mogelijk te gebruiken. Daarna is effectieve recycling noodzakelijk. Vanwege de grondstoffenbeschikbaarheid en de beoogde spreiding in het gebruik van grondstoffen is het wenselijk niet op één batterijsysteem te focusseren maar meerdere systemen te gebruiken. Mogelijke voorbeelden zijn het reeds goed ontwikkelde NiMH systeem en nieuw te ontwikkelen batterijsystemen zoals de magnesiumbatterij. 2.3.4 / Kansen en uitdagingen Alvorens de kansen en uitdagingen voor Nederland te identificeren, is het goed de gehele waardeketen van herlaadbare batterijen ten behoeve van elektrisch vervoer in kaart te brengen. Dit is gebeurd in Figuur 7 waarbij ook gekeken is naar de sterktes van Nederland bijvoorbeeld als in- en doorvoerhaven en naar het creëren van meerwaarde middels packontwerp en veiligheidselektronica. De waardeketen laat zich vertalen in diverse economisch potentiële activiteiten waarbij onderzoek en onderwijs grote initiërende rollen zullen moeten gaan spelen. Productie & aanvoer materialen - Grondstoffen (Polymeren) productie - Transport (e.g. Rotterdam) Productie Batterijen Gezien de eerder beschreven eisen en wensen voor batterijen, zullen toekomstige systemen veelal gebaseerd zijn op het NiMH en Li-ion systeem. Hiervoor zullen nieuwe materialen ontwikkeld moeten worden. Daarnaast zullen nieuwe fabricagetechnieken moeten worden ingezet. Ook liggen er kansen en uitdagingen met betrekking tot [25, 26]: Energiedichtheid in relatie tot optimale levensduur Productie-opschalingsmogelijkheden Toekomstige materiaaltekorten (mijnbouw) Veiligheid Scholing elektrische ten behoeve van transporteconomie Second life Recyclebaarheid Deze onderwerpen zullen hieronder verder worden toegelicht. Energiedichtheid Activiteiten om de energiedichtheid te verhogen, betreffen de toepassing van nieuwe materialen en aangepaste fabricagetechnieken om het gedeelte inactief materiaal in de batterij verder te verlagen. Materiaalcombinaties waar men naar op zoek is, zullen hoogstwaarschijnlijk bestaan uit ijzer, mangaan en/of nikkel aan de positieve pool en silicium aan de negatieve pool. Ook de inactieve componenten worden hierbij betrokken, zoals de ontwikkeling van andere elektrolytmembranen, zouten en oplosmiddelen, alsmede mogelijke polymeren. Om vervolgens de levensduur van deze materialen en het totale systeem te analyseren, zullen er verfijnde analysetechnieken ingezet moeten worden. Uiteindelijk zal het geheel moeten leiden tot een vernieuwde samenstelling van materialen, waarbij het Li-ion concept nog wel in acht wordt genomen. Hierbij wordt een lithium-luchtbatterij dus niet uitgesloten. Het concept kan ook gebruikt worden voor natrium en magnesium in plaats van lithium. In dit laatste geval zal er overigens wel een reductie van de energiedichtheid te zien zijn ten gevolge van de verlaagde werkspanning. Ontwerp en productie Batterijenpacks - Lay out (e.g. T-control) Ontwerp en productie BMS - Hardware IC s - Software algorithms Onderhoud en hulpdiensten - Onderwijs Productie batterijen Momenteel is de productie van batterijen voor elektrische (EV en PHEV) auto s nog te kleinschalig om van massaproductie te spreken. De enige uitzondering hierop vormt de productie voor de bekende hybride auto s waarvoor inmiddels grote aantallen relatief kleine batterijenpakketten van het NiMH-type worden gefabriceerd. Zodra een fabrikant meer dan 100.000 batterijpakketten ten behoeve van EVs en PHEVs per jaar kan produceren, is sprake van massaproductie en zullen kostenvoordelen te behalen zijn. Gevolg van deze kostenreductie is dat de materiaalkosten relatief steeds belangrijker worden. Batterijfabrikanten die inzetten op grootschalige productie van batterijen ontwikkelen momenteel cellen met een energie-inhoud van rond de 100 Ah. De overgang naar deze grotere cellen betekent dat het uiteindelijk eenvoudiger is een systeem op te bouwen, omdat het aantal cellen dan relatief beperkt is. Second life Recycling Figuur 7 Waardeketen batterijen voor toepassing in elektrisch vervoer Toekomstige materiaaltekorten Er is in verschillende media en bij veel conferenties gesproken over een mogelijk tekort aan lithium en bepaalde overgangsmetalen dat zou ontstaan bij grootschalig gebruik van Li-ion en NiMH batterijen. Hoe de markt voor EV batterijen er op termijn uit zal zien, is nog onduidelijk maar het zou goed als deze niet afhankelijk zou zijn van de toelevering van enkele unieke materialen. In het licht van groene productie en afvalvermindering zou daarom gekeken moeten worden naar hoeveel nuttige elementen er op economische wijze te extraheren zijn uit afvalstromen. Dit zou deze materialen minder schaars en de 36 37

batterijenmarkt stabieler maken. Maar ook de inzet van andere materialen zoals bijvoorbeeld natrium en magnesium kan een overgang betekenen naar minder schaarse materialen, waardoor materiaaltekorten ook op de lange termijn geen beperkende factor vormen. Veiligheid Om de nieuwe hoge-energiedichtheidbatterijen veilig te maken en te houden, zullen er maatregelen getroffen moeten worden. Dit begint met de keuze van het batterijsysteem en daaraan gekoppeld de chemie, hetgeen in directe relatie staat tot de energiedichtheid van het systeem. Er zal daarbij gekeken moeten worden hoe het systeem in chemische zin gestabiliseerd kan worden. Dit heeft tevens een positieve invloed op de levensduur van de batterij. Hier wordt vaak gedacht aan additieven in de vorm van surfactants, temperature shut-down membranes en oplosmiddelen die de gasvorming vertragen om snelle drukopbouw te voorkomen en zo dus ook batterijexplosies. Indien de ongewenste gasvorming traag verloopt, zal een geschikt veiligheidsventiel afdoende zijn. Verder zal het batterijsysteem op zowel celniveau als batterijniveau elektronisch gecontroleerd moeten worden om overladen, overontladen, etc. te voorkomen. Hiervoor is de toepassing van een goed BMS systeem een vereiste. Scholing Er liggen veel uitdagingen op het gebied van scholing. Veel mensen die met elektrische auto s in aanraking komen (zoals monteurs in garages, ANWB pechmonteurs of brandweerlieden), weten weinig over het gebruik en de risico s van elektrische auto s. Om de introductie van de elektrische auto zo goed mogelijk te laten verlopen, is het van groot belang alle belanghebbenden te voorzien van goede informatie en goed scholingsmateriaal. Ontwikkeling van specifieke cursussen is daarom van groot belang. Ook is het belangrijk om bij de verschillende automotive opleidingen, variërend van het lager beroepsonderwijs tot het hoger onderwijs, nu al aandacht te schenken aan de elektrificatie van de toekomstige maatschappij. Second life Tijdens het gebruik van een batterij veroudert/verslechtert de performance van een batterij heel langzaam. Na verloop van tijd is een batterij niet goed genoeg meer voor toepassing in een auto, omdat de actieradius van de auto dan te laag wordt. De batterij is echter technisch gezien nog niet volledig afgeschreven. Hij kan immers nog steeds geladen en ontladen worden, alleen niet meer volgens de specificaties die hij had aan het begin van zijn levensduur. Door verschillende partijen wordt gekeken naar de mogelijkheid om de batterijen na gebruik in een auto nog in een andere toepassing te gebruiken, bijvoorbeeld in een netgekoppelde toepassing. Er zijn verschillende situaties mogelijk waarin deze batterij nog steeds goed kan worden aangewend, terwijl hij voor de auto niet goed genoeg meer is. Dit wordt ook wel second life toepassing genoemd. Er zal nog veel onderzoek nodig zijn naar veroudering van batterijen en het hergebruiken van batterijen op een zo veilig en efficiënt mogelijke manier voordat dit werkelijkheid zal worden. Maar door de in potentie grote aantallen batterijen en hoeveelheid opslagcapaciteit is dit zeker een interessant onderwerp voor landen die inzetten op grote hoeveelheden elektrische auto s. auto. Een goed recycleproces en hergebruik van materialen zijn dus van belang voor de financiële haalbaarheid en het milieueffect van de elektrische auto. Indien de herwinning niet in eerste instantie economisch rendabel te maken is, zouden vanuit de politiek regulerende maatregelen moeten worden overwogen om daarmee het milieu te sparen en een bijdrage te leveren aan toekomstige materiaalbeperkingen. Inmiddels is de Stichting Duurzame Recycling van Accu s en Batterijen (DURAB) opgericht die zich ten doel stelt de recycling in Nederland verder vorm en inhoud te geven. 2.3.5 / Nederlands perspectief Drie aspecten zijn van wezenlijk belang voor het welslagen van de beoogde vervoerstransitie: onderzoek, onderwijs en industrie. In deze paragraaf gaan we nader in op alle drie. Samenvattend kunnen we stellen: 1. Onderzoek: Het batterijgerelateerde onderzoek dat aan de Nederlandse onderwijs- en onderzoeksinstellingen plaats vindt is generiek van aard en onder te verdelen in vier deelgebieden: (i) Batterijmateriaalonderzoek; (ii) Batterijtechnologieën; (iii) Batterijmodellering en (iv) Batterij Management Systemen. Onderzoeksresultaten uit deze deelgebieden zullen echter in veel bredere toepassingsgebieden kunnen worden aangewend en zijn dus niet exclusief in de vervoerssector toepasbaar. 2. Onderwijs: Daarnaast is onderwijs op het gebied van elektriciteitsopslag van cruciaal belang voor het slagen van de verdere elektrificatie van de samenleving. Dit onderwijs moet mensen gedegen voor bereiden op de grote technische en maatschappelijke veranderingen die elektrisch vervoer met zich mee gaat brengen. 3. Industrie: Het is een grote misvatting dat de batterijenindustrie alleen zou bestaan uit de productie van batterijen. Het is van essentieel belang de gehele waardeketen van batterijen te beschouwen: materiaalontwikkeling, materiaalproductie en verhandeling, batterijproductie maar ook batterijpack ontwerp en productie, en elektronica die de veiligheid garandeert. Hierbij moet opgemerkt worden dat de productie van elementaire batterijen slechts de helft van de totale kostprijs van het opslagsysteem uitmaakt. De andere helft wordt bepaald door de periferie middels packontwerp- en productie, en geavanceerde BMS die gebaseerd zijn op hardware IC s en software algoritmes. Tenslotte hebben second-life toepassingen en recycling een groot economisch potentieel. Onderstaande gegevens en analyses zullen een rol spelen in de discussies om te komen tot een Nationale R&D Onderzoeksagenda Energie onder auspiciën van het Regieorgaan Energietransitie. Onderzoek State-of-the-art onderzoek Het batterijgerelateerde onderzoek in Nederland vindt met name plaats bij de technische universiteiten (TU/e en TUD) maar vanwege het grote belang voor de toekomstige Nederlandse automotive industrie met haar meer dan 40.000 hooggeschoolde werknemers ook in toenemende mate bij kennisinstellingen (TNO, KEMA) en industrie (Philips Applied Technologies, NXP en Epyon). Recyclebaarheid In Nederland is het een vereiste dat auto s zoveel mogelijk worden gerecycled aan het einde van de levensduur. Dit geldt dus ook voor de batterij. Voor de batterijen in elektrische auto s is dit recycleproces echter nog niet ontwikkeld. Hiervoor is nog veel innovatie nodig. Het recycleproces is enerzijds nodig om het gebruik van een elektrische auto zo duurzaam mogelijk te maken, maar anderzijds is het ook vereist om de business case voor de elektrische auto te verbeteren. De accu is een duur onderdeel van de elektrische auto. Als het recyclen ervan ook een duur proces is, verslechtert de financiële haalbaarheid van de gehele Het fundamenteel georiënteerde onderzoek is onder te verdelen in vier deelgebieden: (i) Batterijmateriaalonderzoek; (ii) Batterijtechnologieën; (iii) Batterijmodellering en (iv) Batterij Management Systemen (BMS). De resultaten komende uit deze onderzoeken worden aangewend in een breed toepassingsgebied, variërend van grote batterijsystemen voor stationaire netgekoppelde opslagsystemen en de transportsector, via gebruik in toekomstige lokale microwarmtekracht (μwk) systemen (ook in relatie tot smart grids) tot conventionele elektronische apparatuur en hele kleine integreerbare vaste-stof batterijen voor implanteerbare medische- en autonome sensorsystemen. 38 39