Bron: Sustainable Bus – 28 oktober 2022
De batterij is het laatst relevante resterende slijtageonderdeel van een elektrisch voertuig – en verreweg het duurste. Hoe laad je hem op de juiste manier op? Hoe de TCO zo veel mogelijk verminderen? veiligheidszorgen? Drie experts bespreken tips, trucs en visies op het hart van EV’s.
Een discussie van experts over toekomstige aandrijflijntechnologieën in zwaar transport. Zo mogen we dit interview heten. We ontmoetten Claudius Jehle, CEO van volytica diagnostics, Dr. Martin Ufert, Group Manager for System Monitoring and Operational Strategies bij Fraunhofer Institute for Transportation and Infrastructure Systems IVI en Prof. Dr. Harry Hoster, voorzitter van Energy Technology aan de Universiteit van Duisburg- Essen en hoofd van het waterstof- en brandstofcelcentrum ZBT GmbH, om een kijkje te nemen in de toekomst van ons mobiliteitssysteem, met een focus op de elektrificatie van het openbaar vervoer.
De aandrijflijn voor de mobiliteit van de toekomst
De toekomst van mobiliteit is elektrisch – alleen de aandrijflijntechnologie staat nog in de sterren geschreven. Welke aandrijflijntechnologie zal volgens jou de race winnen en waarom?
Claudius Jehle: “In mijn gedachten zal er geen ‘winnaar’ zijn. De toekomst zal nog steeds verbrandingsmotoren hebben, zowel hybride- als volledig batterijaangedreven voertuigen. Voor alles tot enkele honderden kilometers bereik zijn Li-Ion-batterijen voorbestemd vanuit het perspectief van vandaag, en voor alles daarbuiten zullen waterstof of andere technologieën het systeem bij uitstek zijn.”
Harry Hoster: “Ja, voor het langeafstandsvervoer en het zware werk zal er een groeiend aandeel waterstof zijn. Nu heeft de brandstofceltechnologie voor het gebruik van waterstof het niveau van massaproductie nog niet bereikt. Waar ik waterstof heel relevant zie – eenmaal klaar – zijn gemeentelijke wagenparken zoals vuilniswagens of logistiek. De zware goederenindustrie is dol op waterstof vanwege de hogere energiedichtheid in vergelijking met batterijpakketten.”
Op het gebied van transport is de aandacht grotendeels afgewend van waterstof, maar in de transportsector blijft het hoopgevend. Welke ontwikkelingen zijn hier te verwachten?
H.H.: “De verwachte ontwikkeling is de overgang naar massaproductie. Het grote probleem dat momenteel de grootschalige introductie van brandstofcellen in het zware goederenvervoer tegenhoudt, zijn de zorgen over de levensduur van brandstofcelstapels. De huidige technologie, die is getest op normale personenauto’s, zal hier niet werken vanwege de totaal andere beschikbaarheid en belastingseisen.”
C.J.: “De geschiedenis lijkt zich te herhalen. We hebben – tien jaar geleden – degradatie, problemen met scheuren, problemen met waterinstroom in PV-modules gezien. Nu gebeurt hetzelfde met batterijen. De veelbelovende waterstoftechnologie wordt nu geconfronteerd met dezelfde problemen en degradatie. Dit heeft gevolgen voor zowel de productiekant, zoals elektrolysers, als de brandstofcellen aan de consumptiekant. Dat is eigenlijk heel interessant.”
Li-ion, vaste stof, grondstoffen…
Li-iontechnologie domineert momenteel de markt – maar grondstoffen worden schaars en een echte circulaire economie is nog lang niet ‘gesloten’ – welke rol zal Li-iontechnologie spelen in 2030, of verder weg in 2045?
Martin Ufert: “In 2030 nog een dominante rol, 2045 best lastig te zeggen. Lithium-iontechnologie zal een grote rol spelen, vooral NMC- of LFP-technologie. Er zijn op dit moment enkele andere veelbelovende benaderingen, maar momenteel nog niet in een commerciële rol van hoog niveau.”
H.H.: “Als je doelt op solid-state, ik weet dat de auto-industrie enorme bedragen investeert en er is altijd een kans dat ze iets in petto hebben dat nog niet is gepubliceerd.”
M.U.: “Trouwens, voor alle duidelijkheid, ‘solid-state’-batterijen zijn ook gewoon lithium-ionbatterijen. De vloeibare elektrolyt die ervoor zorgt dat de lithium-ion in de batterij kan bewegen om energie tussen de polen te transporteren, wordt vervangen door een vaste elektrolyt. Klinkt een beetje saai, toch?“
H.H.: “Dat is waar, laten we het later hebben over de voordelen, maar weet u hoe lang het duurde voordat LFP de massamarkt bereikte? Ik ben niet al te optimistisch over quick wins van solid-state. Zelfs als we nu werkende prototypes van halfgeleiderbatterijen in het laboratorium hebben, zullen we niet meteen een manier hebben om deze op grote schaal te produceren. Het gaat altijd om veiligheid, zeker op systeemniveau. We mogen niet vergeten dat we met de bestaande lithium-iontechnologie alle harde lessen hebben geleerd toen ze in laptops en vroege mobiele telefoons zaten, met alle branden die er plaatsvonden. We weten niet eens wat het ‘oefenterrein’ voor de solid-state batterijen zal zijn. Het zou ongebruikelijk zijn als ze onmiddellijk naar de massamarkt van elektrische voertuigen zouden gaan…“
M.U.: “En de huidige lithium-iontechnologie verbetert nog steeds! Of de ontwikkeling gaat in ieder geval vooruit. Als solid-state al snel schaalbaarheid zou bereiken, is het uiteindelijk nog een kwestie van de prijs.”
Dr. Hoster, u stelde de kwestie van de voordelen van vaste stof uit. Wat hopen we dat solid-state zal bereiken? Wordt het veiligheid, een groter bereik of gewoon goedkoper?
H.H.: “De grootste drijfveer zal veiligheid zijn. Ik denk dat er meer druk op de industrie zal komen om de ontvlambaarheid te verminderen, vooral relevant als het gaat om verzending en logistiek in de grote verkoop. Zoals gezegd maakt het feit dat de vaak licht ontvlambare vloeibare elektrolyt in conventionele, state-of-the-art Li-ion-batterijen wordt vervangen door een vaste elektrolyt – vandaar de naam – deze technologie een goede kandidaat voor hogere veiligheid. Maar de rest van de technologie blijft,hetzelfde – het is nog steeds Lithium-ion-technologie! Laten we aannemen dat ze erin slagen om voor lithium-metaalanoden te gaan en dat we het grafiet kwijtraken: dat helpt ons wat aan de grondstofkant te besparen en een beetje energiedichtheid te krijgen. Maar aan de kathodekant vermoed ik dat we nog steeds met zeer vergelijkbare materialen zouden eindigen zoals ze momenteel worden gebruikt in de bestaande lithium-ion-wereld.”
C.J.: “Dat is eigenlijk buitengewoon interessant en moet worden benadrukt. Veel mensen vergelijken vaak: ‘Er is Lithium-Ion en dan is er de ‘magic bullet’, de andere technologie die niets te maken heeft met lithium-ion, vaste stof – werkt langer, is goedkoper, hogere energiedichtheid en veiliger, maar dit is niet correct. Naar mijn mening overschatten mensen het potentieel dat dit zou kunnen opleveren, als het beschikbaar was.”
C. J.: “Het lijkt vreemd, sommige branden in e-bussen in de afgelopen 12 maanden worden toegeschreven aan zogenaamde solid-state technologie, de laatste in Parijs eerder dit jaar. Maar voor alle duidelijkheid: deze technologie is een vroege versie, werkend bij verhoogde temperaturen van >50 °C, slechts in de verte verwant aan de verwachte solid-state technologie. Er is gewoon geen ‘magic bullet’ en geen simpele waarheden. Ik denk dat mensen overschatten en simplificeren.”
M.U.: “En om eerlijk te zijn, over veiligheid gesproken: batterijen zijn tegenwoordig veilig. De catastrofale branden die we in het verleden in bussen en andere activa hebben gezien, kunnen niet eens worden toegeschreven aan celstoringen, en vaak is het oplaadsysteem mogelijk de boosdoener. Er heerst te veel paniek!“
C.J.: “O ja! Met goed beheer en gecentraliseerde analyse kunnen zelfs de laatste paar 0,x% van de waarschijnlijkheid uren tot dagen, zelfs weken van tevoren worden gedetecteerd. Maar zoals gezegd: alleen als we ze van dichtbij bekijken en in de gaten houden.”
Snel opladen versus langzaam opladen
Over degradatie gesproken: snel opladen, oplaadcycli en temperatuurvensters maken goed opladen en werken complex. Waar moet hier rekening mee worden gehouden in de context van celdegradatie?
C.J.: “Het hangt af van welk celtype van het grote landschap wordt gebruikt. Een vuistregel: als je NMC-technologie gebruikt, moet je niet opladen bij lage temperaturen, vooral niet te snel. Deze combinatie kan op den duur echt voor veiligheidsproblemen zorgen! Een vaak verwaarloosde factor is ook het niveau tot waar u laadt, de laadtoestand (SOC) en het venster waarin u opereert.”
H.H.: “Veel daarvan is niet altijd onder controle van de eindgebruiker, vind je ook niet?“
C.J.: “Nee, ik denk dat veel dingen kunnen worden gecontroleerd door de eindgebruiker. U kunt de SOC controleren wanneer u parkeert, het venster waarin u werkt regelen – 80% tot 20% is vaak beter dan 100% tot 40%! En misschien kunt u wat bomen planten om op het dak gemonteerde batterijen in de schaduw te plaatsen voor basistemperatuurregeling. Ook goed voor het milieu. Deze maatregelen kunnen de levensduur gemakkelijk met meer dan 10 tot 20% verlengen. Om nog maar te zwijgen van snelladen…“
M.U.: “Het is waar, snel opladen heeft meestal celdegradatie tot gevolg. Toch is voor een wagenparkbeheerder de TCO uiteindelijk altijd het belangrijkste punt om naar te kijken. Als de economische voordelen op korte termijn die worden behaald door sneller opladen opwegen tegen de problemen op de lange termijn, dat wil zeggen voortijdig falen en een lagere doorverkoopwaarde, dan kan dat een goeie deal zijn. Maar hoeveel bedrijven doen deze berekening? Als u, zoals Claudius zei, snelladen heeft omdat het kan en u laadt uw voertuigen op zonder rekening te houden met deze aspecten, dan is snelladen waarschijnlijk niet de juiste keuze.”
Kunnen we iets doen om een lage TCO, een lange levensduur, veiligheid en milieuvriendelijkheid beter op elkaar af te stemmen?
C.J.: “Je kunt veel doen voor TCO en veiligheid. Afhankelijk van het laadpatroon, de opslag van de activa, de manier waarop u ze parkeert en hoe u ze gebruikt, kunt u de levensduur van een batterij gemakkelijk met meer dan 10% verlengen en zo de TCO verlagen.”
M.U.: “Het gaat om het optimaliseren van hun gebruiksprofielen. Er is altijd een specifieke use case en er zal een specifiek profiel moeten zijn om de TCO daadwerkelijk naar beneden te halen. Dit kan echt verschillen tussen vloten van bussen, vloten van vrachtwagens en vloten van middelgrote transportvoertuigen. We moeten het bewustzijn voor betrouwbare werking vergroten en wagenparkbeheerders en eindgebruikers beter opleiden. Het optimaliseren van de use cases betekent het optimaliseren van hun milieuvriendelijkheid.”
C.J.: “Over milieuvriendelijkheid gesproken: grote hoeveelheden batterijen worden vervangen aan het einde van de garantieperiode, en niet wanneer ze niet meer aan hun behoeften voldoen. Ze gaan vaak naar afvalverwerking en niet naar recycling. Batterijen zijn ontworpen om de volledige garantieperiode te doorstaan - dus heel eenvoudig, ze gaan allemaal langer mee! Als u ze aan het einde van de garantieperiode vervangt, betekent dit dat u miljoenen euro’s en tonnen batterijen weggooit.”
Hoe zit het met het tweede leven van batterijen?
Over use cases na de garantie en na de eerste levensduur: er is nauwelijks een 2e-levensmarkt voor voertuigaccu’s die deze naam verdient. Welke hindernissen moeten worden overwonnen, welke uitdagingen staan ons hier te wachten om de vestiging van 2nd life use te bevorderen?
M.U.: “Second-life wordt in de toekomst een hot market. We werken aan een project genaamd GUW+3 in Hannover, waar we tram onderstations uitrusten met 2nd-life batterijen om energie te bufferen en e-bussen op te laden. Dit is een markt die de komende jaren waarschijnlijk groeit.”
C.J.:“Maar niemand koopt een kat in een zak en niemand betaalt een goede prijs voor een gebruikte batterij met vrijwel geen kennis over het gebruik in het verleden, de huidige staat en vooral de verwachte levensduur voor de toepassing voor het tweede gebruik, en dit is precies hetzelfde als met de garantie.”
H.H.: “Kon het niet meer eens zijn. In wezen heb je zoiets als een batterijpaspoort nodig, inclusief gegevensgeschiedenis en vooral een vooruitzicht. Anders kunnen mensen geen stationaire stroomcontainer ontwerpen. Het is belangrijk om te weten in welk soort projecten de batterijen zouden kunnen worden gebruikt in een tweede leven toepassing. Het draait allemaal om de beschikbaarheid en het delen van gegevens.”
C.J.: “Het is niet eens mogelijk vandaag. Er is geen mogelijkheid dat een arts u kan vertellen wanneer u gaat sterven en het werkt hetzelfde voor batterijen. U hebt de gegevens uit het verleden nodig om de toekomstige levensduur te kunnen extrapoleren – en voor batterijen: waarde. In het tweede gebruiksscenario moet iemand het risico op een falen nemen en iemand moet een tweede garantie geven. Of het nu een verzekeringsmaatschappij is, de verdeler van tweedehands batterijen of de OEM. En dat kan alleen worden gegarandeerd door transparante en open data-uitwisseling. Gelukkig hebben steeds meer vervoerders en eigenaren van activa behoefte aan open gegevensoverdracht van de OEM-kant.”
Claudius Jehle is CEO van volytica diagnostics GmbH; met meer dan 10 jaar ervaring in de diagnose van Li-ionbatterijen, ontwikkelen hij en zijn team gebruiksvriendelijke en onafhankelijke software voor batterijdiagnose voor bedrijfsvoertuigen en stationaire toepassingen. Met een achtergrond bij de gerenommeerde Fraunhofer Society, is hij al bijna 8 jaar actief in de op batterijen gebaseerde openbaarvervoersadvisering. Hij schrijft regelmatig een kennisartikel voor het tijdschrift Sustainable Bus (de serie Battery Cycle).
Martin Ufert bekleedt de functie van groepsmanager “Energy Storage Monitoring Systems and Operating Strategies” bij het Fraunhofer Institute for Transportation and Infrastructure Systems IVI (Dresden). Hij kan bogen op 10 jaar ervaring in de planning, het ontwerp en de bediening van elektrische transportsystemen.
Fraunhofer IVI ontwikkelt al meer dan 15 jaar systemen, componenten en softwareoplossingen voor elektrische aandrijvingen van bussen en bedrijfsvoertuigen.
Harry Hoster is hoogleraar energietechnologie aan de Universität Duisburg-Essen en wetenschappelijk directeur van “The Hydrogen and Fuel Cell Center ZBT GmbH”. Zijn onderzoek omvat waterstoftechnologieën en batterijen, van de basis tot toepassingen. Hij was stichtend directeur van het Britse bedrijf “Altelium Ltd.”, dat gespecialiseerd is in nieuwe batterijgerelateerde verzekeringsproducten. Van opleiding is hij natuurkundige (Universität Bonn) met een PhD in Engineering en een Venia Legendi in Physical Chemistry.
