Autoproducenten en regeringen storten zich momenteel in een wedloop om zo snel mogelijk de eerste elektrische voertuigen op de baan te krijgen. Hoewel de elektrische wagen decennia lang geboycot werd, lijkt het anno 2010 er toch op dat dit type voertuig dit keer echt op grote schaal gaat doorbreken. Omwille van de stijgende olieprijs en de huidige milieuproblematiek zoekt men naar alternatieven voor de conventionele brandstofvoertuigen. Elektrische voertuigen bieden enkele interessante voordelen t.o.v. de huidige voertuigen op de weg. Ze verbruiken geen brandstof en stoten geen CO2 of andere schadelijke uitlaatgassen uit. Daarnaast stoten ze geen fijne stofdeeltjes uit, maken ze geen lawaai en zijn ze veel goedkoper in de gebruiksfase dan de conventionele brandstofvoertuigen. Ook op energetisch vlak scoort men beduidend beter met een elektrische wagen omwille van het hoge rendement van de elektrische motor. Typische brandstofmotoren hebben een efficiëntie rond de 25 %, de toegepaste elektrische motoren in automobieltoepassingen hebben een rendement van 90% of hoger. Daarom verbruiken elektrische voertuigen minder energie voor dezelfde prestaties dan voertuigen aangedreven door een verbrandingsmotor.
Hoewel de elektrische wagen een aantal erg interessante voordelen biedt, zijn er ook nadelen aan deze voertuigen verbonden. Dit betoog met als titel “Elektrische voertuigen hebben een enorm potentieel, toch opgepast voor euforie” gaat dieper in op deze nadelen. De geponeerde statement en het betoog maken deel uit van de Master Thesis van Reinout Grommen en Pieter Jan Jordaens. De onderbouwing van de stelling is een samenvatting van een blog die gedurende het academiejaar 2009-2010 werd bijgehouden. De blog, die geconsulteerd kan worden via http://jordaens.blogspot.com/, bevat artikels, nieuwsberichten en studies die dieper ingaan op de nadelen van elektrische voertuigen.
De Master Thesis die de titel “het ontwerp en de realisatie van een mechanische aandrijflijn voor een elektrische racewagen” draagt, handelt over het technische ontwerp van een prototype elektrisch racewagen. We focussen in dit betoog echter op de grootschalige introductie van commerciële elektrische voertuigen. Deze grootschalige introductie kan bijvoorbeeld bepaalde negatieve effecten hebben op economisch, ecologisch en sociaal vlak. Het is niet de bedoeling om het potentieel van de elektrische voertuigen te minimaliseren, wel om potentiële problemen in kaart te brengen zodat men hierop kan anticiperen. We beginnen bij de grootste nadelen en eindigen bij nadelen met een beperkte impact. Verder zullen we bij bepaalde topics het onderscheid maken tussen nadelen voor de fabrikant van het voertuig en nadelen voor de consument.
1. Batterijen & beperkte actieradius van de elektrische voertuigen
Hoewel de batterijtechnologie de laatste jaren enorme ontwikkelingen doormaakt, blijft de beperkte actieradius de bottleneck van een elektrische wagen - volgens de consument althans. Deze blijft voorlopig beperkt tot maximaal 300 kilometer en kan dus nog niet concurreren met de conventionele verbrandingsvoertuigen. De voornaamste reden hiervan is de lage energiedichtheid van de batterijen in vergelijking met fossiele brandstoffen. De vraag die men echter moet stellen is: moet ik mij een voertuig aanschaffen met een hoger bereik? Aangezien 80 % van alle autoverplaatsingen binnen een straal van 20 kilometer blijft, is een elektrische wagen met een bereik van 300 km een waardig alternatief voor de brandstofvoertuigen. Dit geldt zeker als men het heeft over woon-werkverkeer. Men kan besluiten dat de actieradius momenteel de behoefte van de mens dekt. Het gebruik van een eventuele ‘Range extender’ biedt tevens een oplossing voor lange afstanden. Deze kan op een milieuvriendelijkere brandstof werken (of zelfs op waterstof) en zorgt voor 500 km extra bereik. Ze geven de consument tevens het gevoel dat men niet stil kan vallen. Men schat dat in de toekomst de energiedichtheid van de batterij drie keer groter wordt door het toepassen van nieuwe technologie. De huidige ontwikkelingen in de batterijtechnologie zullen dus een groter bereik kunnen dekken.
Verder is de kostprijs van de batterijpakketten op dit moment nog te hoog voor de consument. Een commercieel verkrijgbaar pakket met bijhorende elektronica en koeling kost momenteel ongeveer evenveel als een conventioneel brandstofvoertuig. Toch schat men dat dit op relatief korte termijn met een factor drie naar beneden kan. Bovendien wordt ook de energiedichtheid driemaal hoger verwacht. Deze uitspraken houden echter geen rekening met een mogelijke prijsstijging van de grondstoffen van de batterijen, besproken in hoofdstuk 4.
Ten slotte zijn er nog de lange laadtijden. De consument is gewend om zijn mobiliteit op ieder moment beschikbaar te hebben. Bijgevolg is hij niet happig om zijn auto vier uur in het stopcontact te steken. Hier zijn twee mogelijke oplossingen: snelladen en een wisselsysteem voor batterijen. Op dit vlak is nog veel onderzoekswerk en het is dan ook belangrijk dat men deze problemen integraal oplost samen met de kostprijs en levensduur van de batterij.
2. Oplaadinfrastructuur
Dit is het klassieke probleem van de kip en het ei. Er zijn geen elektrische voertuigen in België omdat er geen laadpunten zijn, anderzijds zijn er geen laadpunten omdat er geen elektrische voertuigen zijn. Momenteel zijn er in België een tiental oplaadpunten. Deze zijn allemaal eigendom van privé-investeerders. Indien ondernemingen investeren in eigen laadpunten, dan kan het woon-werkverkeer binnen de bedrijven zelf al grotendeels geëlektrificeerd worden. Tijdens de werkuren kan de batterij laden zodat je de lange oplaadtijd niet ervaart als een nadeel. De overheid dient ook te investeren in deze infrastructuur indien men een succesverhaal van deze voertuig wil maken in eigen land. Volgens de autofabrikanten is de technologie van de elektrische wagens voldoende rijp maar is er nog steeds onvoldoende laadinfrastructuur voor de consument. Verder dient men ook over de landsgrenzen heen een elektrisch voertuigen te kunnen opladen. Een uniforme betaalwijze laat momenteel nog op zich wachten. Ook de stekkerkeuze is niet dezelfde bij alle fabrikanten. Indien men dit wenst dient er een algemene normering of standaardisatie vastgelegd te worden.
3. Kostprijs
Een tweede drempel die overwonnen moet worden is de kostprijs. Momenteel ligt deze nog tweemaal zo hoog als een auto op benzine of diesel. De voornaamste reden hiervoor is de dure kostprijs van het batterijpakket zoals besproken in hoofdstuk 1. Voor de autoconstructeur blijkt het tevens erg moeilijk te zijn om de elektrische wagens in massaproductie te produceren. Dit maakt dat ook de kostprijs hoger ligt dan de huidige voertuigen op de markt. De auto-industrie gaat momenteel door een transitieperiode waarbij men op vlak van de productie van de elektrische voertuigen grote investeringen dient te maken. Om de elektrische voertuigen te laten penetreren in de markt, rekeninghoudend met de hoge kostprijs, dient men een beroep te doen op de overheid en de industrie. Om de autoconstructeurs de kans te geven de elektrische wagens op de markt te brengen, en de kostprijs te doen dalen, dienen deze twee partijen te beginnen met de elektrificatie van hun wagenpark. Dit geeft ademruimte voor de constructeurs om te investeren in R&D zodat kinderziektes verdwijnen. Voor privékopers zijn de voertuigen momenteel te duur.
4. Aantal politieke grondstoffen neemt toe / stijgende prijs van bepaalde grondstoffen
o Lithium
Momenteel ziet het ernaar uit dat de meeste elektrische voertuigen van lithiumbatterijen zullen voorzien worden. Lithium, de basisgrondstof voor dit type batterijen bevindt zich echter niet overal ter wereld in de ondergrond. 85% van deze gegeerde grondstof is te vinden in Bolivië, Chili, Brazilië en Argentinië. Ook China, Australië en de VS hebben een bepaald percentage in de ondergrond. De Europese voorraden blijken echter verwaarloosbaar klein te zijn. Bijgevolg zal Europa volledig afhankelijk blijven van de import van deze grondstof. Men dient ervoor te zorgen dat we niet dezelfde afhankelijkheid creëren zoals nu het geval is met ruwe aardolie. Een mogelijke oplossing hiervoor is de recyclage van lithium. Men kan een geografische herverdeling van grondstoffen verwezenlijken d.m.v. recyclage. Een goed voorbeeld hiervan is de strategie van de Belgische onderneming Umicore. Dit bedrijf heeft de ambitie lithium op grote schaal te recycleren. Tot slot dient men te controleren of deze grondstof op een duurzame manier gedolven wordt.
o Magnetische materiaal & andere zeldzame grondstoffen
Hoewel lithium een erg gegeerde grondstof zal worden de komende jaren vreest men meer voor het gebrek aan magnetisch materiaal. 95% van de zeldzame en kostbare metalen zoals neodymium, lanthaan of terbium (in totaal heeft men het over 17 zeldzame metalen) komt uit China. Ze worden vooral in midden-Mongolië gedolven op onmilieuvriendelijke manier. Het zijn net deze metalen die men gebruikt voor de productie van de permanente magneten in elektromotoren, batterijen (een batterijpakket bestaat immers niet uit 100% lithium), brandstofcellen, enz. Gevreesd wordt dat China de export van deze zeldzame grondstoffen terug zal schroeven om in zijn eigen behoefte te kunnen voorzien bij de productie van elektrische en hybride voertuigen. Het gebruik van andere technologieën zoals bijvoorbeeld de geschakelde reluctantie motor (SRM) als tractiemotor voor elektrische voertuigen wordt in dit opzicht interessant.
Deze SRM blijkt qua eigenschappen een ideale motor te zijn voor automotive toepassingen en bevat geen permanente magneten. Het is dit type motor dat in de thesis het hart van de ontwikkelde mechanische aandrijving vormt, en geïmplementeerd zal worden in een elektrische racewagen.
5. Transformatie van de industrie
De opkomst van de elektrisch aangedreven wagens zal een grote impact hebben op drie industrieën. Twee daarvan, de batterij- en energieleveranciers (inclusief de fabrikanten van oplaadinfrastructuur) werden reeds aangehaald in dit document. Een derde industrie ligt voor de hand, namelijk de auto-industrie. Het is interessant om naast de kansen ook de nadelen hiervan in te zien. De autobusiness moet namelijk volledig heruitgevonden worden om te overleven. Men dient nieuwe kennis te vergaren bij zowel ontwerp als productie van deze voertuigen. Het toepassen van een nieuwe aandrijfarchitectuur met batterijen, elektromotoren en gesofisticeerde vermogenelektronica maakt dat men deze voertuigen niet zomaar in massaproductie kan produceren.
Een elektrisch voertuig heeft ook veel minder onderhoud nodig. Dit zal zijn negatieve invloed hebben op de ondernemingen die momenteel conventionele voertuigen voorzien van onderhoud en reserveonderdelen. Ook de chemische industrie zal een daling zien in de verkoop van smeermiddelen.
Ondernemingen zullen moeten innoveren door het toepassen van nieuwe businessmodellen. Autofabrikanten kunnen een integrale aanpak hanteren om het probleem rond de batterijen op te lossen door de wagen te voorzien van een wisselbaar batterijpakket. De consument kan deze batterij leasen van de fabrikant. D.m.v. het voorzien van een tweedehandsmarkt voor batterijen en de recyclage van dit onderdeel kan men de winsten, die ze verliezen omwille van het ontbreken van onderhoud, proberen te compenseren. Het zal echter nog enige tijd duren vooraleer dergelijke concepten toegepast worden in België.
6. Energieproductie / aanpassingen distributienet
Indien 10 % van de huidige voertuigen op de weg vervangen wordt door een elektrisch voertuig resulteert dit in 1,375 % extra elektriciteitsproductie. We kunnen dus besluiten dat de huidige productiecapaciteit van de elektriciteitscentrales in eerste instantie toerijkend is. Bij een grootschalige intrede van de elektrische voertuigen zal de productie de vraag moeten volgen. Men schat dat elektrische en plug-in hybride voertuigen over een 20-tal jaar zal zorgen voor een bijkomend verbruik van 5-10%. Verder kunnen we besluiten dat elektrische voertuigen op grijze stroom goed zijn, het rendement van deze voertuigen ligt immers veel hoger dan de conventionele verbrandingsvoertuigen, maar kiezen voor elektrische wagens op groene stroom is nog beter.
Het tijdstip van de vraag naar elektriciteit vormt echter wel een potentieel probleem. Het elektriciteitsnet is geen onbeperkte bron van elektrische energie op elke moment van de dag. Indien de vraag groter wordt dan het aanbod op een bepaald tijdstip (denk maar aan thuiskomen en opladen van het voertuig tijdens de gewoonlijke piekperiodes van elektriciteitsverbruik) kan dit leiden tot gevaarlijke situaties.
Ook hier is nog veel R&D nodig om ervoor te zorgen dat bij piekmomenten het net niet overbelast wordt. Men heeft het dan bijvoorbeeld over pilootprojecten rond Smart Battery Charging tijdens de daluren. Daarnaast kan de batterij ook energie terugleveren aan het net. Dit heeft echter weer zijn nadelen op de levensduur van de batterij. Men dient dus op zoek te gaan naar een ideaal compromis.
7. Fiscaliteit & subsidies
Gezien de hoge kostprijs van de elektrische voertuigen dient de overheid zelf mee te investeren in de introductie ervan op onze wegen. Men dient te streven naar een 30% fiscale aftrekmogelijkheid op de aankoopprijs van elektrische voertuigen zodat de maximale kostprijs ± 9000€ bedraagt. Er moet gezegd worden dat momenteel enkel nog maar een wetsvoorstel van 15% fiscale aftrek in de maak is om de aankoop van een elektrisch voertuig aantrekkelijk te maken. Baanbrekend is dit wetsvoorstel niet te noemen. Verder dient men hierbij te vermelden dat dit wetsvoorstel enkel rekening houdt met 100% elektrische voertuigen. De elektrische voertuigen met range extender vallen niet onder deze noemer, een spijtige zaak dus voor de consument die bij de introductie van de elektrische voertuigen op “safe” wil spelen bij de aankoop. Op vlak van fiscaliteit en subsidies kunnen we besluiten dat België nog een lange weg te gaan heeft in vergelijking met onze buurlanden.
8. Veiligheid & comfort
De consument eist een voertuig met maximale veiligheid en comfort. Voor de elektrische voertuigen ligt ook hier een potentieel probleem. Op vlak van veiligheid is meer onderzoek nodig naar de batterijen. Niet alleen het ontploffingsgevaar van de lithiumbatterijen is een nadeel, ook de grote stromen die gebruikt worden zijn niet veilig. Het feit dat de elektrische wagen geluidloos rijdt vormt zowel een voordeel als een nadeel. Uit studies blijkt dat dit nadelig kan zijn voor de zwakke weggebruiker die deze voertuigen niet hoort aankomen.
Het grootste vraagteken voor de constructeurs heeft te maken met comfort. De consument is veeleisend dezer dagen en wenst te beschikken over airco, verwarming, ABS, tractiecontrole, airbag,… Deze systemen eisen echter veel energie. De energie komt van de batterij, waardoor men inboet op actieradius. Het streven naar 100% elektrisch transport en 100% veilig transport is de ultieme hoofddoelstelling van vele autoconstructeurs. Dit is dan ook de voornaamste reden dat de meeste merken pas eind 2010, begin 2011 op de markt komen met hun elektrische variant. Ze willen eerst de veiligheid op punt hebben.
Slotbetoog / conclusie:
De elektrische voertuigen hebben inderdaad een groot potentieel en zijn een hot topic. Toch zijn er nog een aantal nadelen die overwonnen moeten worden. Indien men mikt op een grootschalige introductie van de elektrische voertuigen dient men eerst de batterij- en oplaadtechnologie verder te verfijnen. Ook het voorzien van een internationaal uniforme oplaadinfrastructuur mag niet op zich laten wachten. De kostprijs van de batterij moet hoe dan ook omlaag, terwijl de levensduur en de energiedichtheid moeten verhogen. Men kan dit enkel verwezenlijken door massaal te investeren in de ontwikkeling van nieuwe batterijtechnologie.
Verder moet men het probleem van de lange laadtijden bij de ontwikkeling van de batterij integreren. Autofabrikanten, energieleveranciers en batterijfabrikanten dienen samen te streven naar een integrale aanpak van dit probleem. De elektriciteitsproductie zien we niet snel als een probleem maar het moment van de vraag wel. Het voorzien van intelligentie in de elektrische voertuigen om efficiënt met energie om te springen zijn een must indien men niet wil inboeten op veiligheid en comfort.
Tot slot kunnen we besluiten dat elektrische voertuigen heel wat problematiek van het conventionele transport oplossen. Wanneer de overheden, industrie en onderzoeksinstellingen zich concentreren op de specifieke problemen van het elektrisch rijden, dan kunnen deze relatief snel opgelost worden. De brandstofvoertuigen stonden er immers ook niet op één decennium.
