Hiteq
Batterij(d)en 2
Voor technisch vakmanschap in de toekomst
Elektrisch rijden in Nederland Hiteq is het expertisecentrum voor technisch vakmanschap in de toekomst. Technische bedrijven, werknemers en
Simon Goessens
onderwijsinstellingen die zich oriënteren op hun rol in de komende 5 tot 15 jaar, kunnen rekenen op de kennis en consultancy van Hiteq. Hiteq begeleidt strategische aanpassingsprocessen, verbindt mensen en organisaties, ontwikkelt toekomstscenario’s, is inhoudelijk expert in bijvoorbeeld een denktank, organiseert workshops. Met het doel inzicht te leveren in de mogelijkheden die de toekomst biedt voor technische opleidingen en beroepen.
Hiteq is een initiatief van
Opdrachtgever Hiteq, centrum van innovatie Programmaleider Technologie Ir. Daan Maatman
Domein Technologie Uitgave: December 2012
www.hiteq.org
Hiteq is een initiatief van
Batterij(d)en 2 Elektrisch rijden in Nederland Simon Goessens
Opdrachtgever Hiteq – expertisecentrum voor technisch vakmanschap in de toekomst Programmaleider Technologie ir. Daan Maatman Domein Technologie Uitgave: December 2012
www.hiteq.org
Inhoudsopgave
Bijlagen 49
Voorwoord 5
Bijlage 1 — Ontwikkelingen in de batterijtechnologie
50
Samenvatting 6
Bijlage 2 — Ontwikkelingen in de elektromotortechnologie
52
1 Inleiding
13
Bijlage 3 — Eigenschappen van verschillende typen range extenders
54
1.1 Achtergrond
13
1.2 Doel van het onderzoek
13
Bijlage 4 — Ontwikkelingen in de brandstofceltechnologie
56
1.3 Aanpak van het onderzoek
14 Bijlage 5 — Alternatieve analysemodellen
58
2 Aandrijflijnen
15
2.1 Hybride aandrijflijnen
15
2.2 Battery Electric Vehicle (BEV)
18
2.3 Range Extended Vehicle (REV)
19
Hiteq-publicaties 67
3
22
Colofon 68
Technologische ontwikkelingen
3.1 Battery Electric Vehicle (BEV)
22
3.1.1 Batterij
22
3.1.2 Elektromotor
25
3.2 Range Extended Vehicle (REV)
26
4 Marktanalyse
30
4.1 BCG-matrix
30
4.2 Analyse van de technologieën
32
4.2.1 Batterijtechnologie
32
4.2.2 Elektromotortechnologie
34
4.2.3 Range Extender-technologie
35
4.3 Kansen voor het Nederlandse bedrijfsleven
38
4.3.1 Kansen in de batterijtechnologie
38
4.3.2 Kansen in de elektromotortechnologie
41
4.3.3 Kansen in de range extender-technologie
42
4.3.4 Overige kansen in de aandrijflijn
42
5
44
Gevolgen voor onderwijs en technische beroepen
6 Conclusie
46
Bronnen 60
Hiteq
Voorwoord
Voor technisch vakmanschap in de toekomst
Deze Hiteq-publicatie gaat over trends en ontwikkelingen in de automotive industrie in Nederland en over de mogelijkheden die dit werkterrein onze
Hiteq is het expertisecentrum voor technisch vakmanschap in de toekomst.
toekomstige beroepsbevolking te bieden heeft. Dit werkterrein is breed en biedt
Technische bedrijven, werknemers en onderwijsinstellingen die zich oriënteren
de Nederlandse economie diverse kansen.
op hun rol in de komende 5 tot 15 jaar, kunnen rekenen op de kennis en
In 2009 heeft Hiteq de ontwikkelingen in deze sector al onderzocht en de
consultancy van Hiteq. Hiteq begeleidt strategische aanpassingsprocessen,
publicatie die nu voor u ligt is een vervolg op de eerdere verkenning (Batterij(d)
verbindt mensen en organisaties, ontwikkelt toekomstscenario’s, is inhoudelijk
en). Waarom dit vervolg? Dat komt voort uit onze observatie dat bepaalde
expert in bijvoorbeeld een denktank, organiseert workshops. Met het doel inzicht
ontwikkelingen op het gebied van elektrische voertuigaandrijving sneller gaan dan
te leveren in de mogelijkheden die de toekomst biedt voor technische opleidingen
destijds verwacht. Om deze observatie te toetsen en de nieuwste ontwikkelingen
en beroepen.
en tijdlijnen in kaart te brengen heeft Simon Goessens deze verkenning uitgevoerd, in het kader van zijn bachelorstage. Als extra toegevoegde waarde heeft hij ook de marktkansen voor de verschillende automotive ontwikkelingen onderzocht en beschreven. Ik wil hem uiteraard hartelijk danken voor zijn werk, dat ten grondslag ligt aan deze publicatie. Daan Maatman Programmaleider Technologie Hilversum, december 2012
www.hiteq.org Hiteq is een initiatief van Batterij(d)en 2
5
Samenvatting
-- Complexe hybride De complexe hybride aandrijving is een serie-/parallel hybride aandrijving met
Batterij(d)en 2
een optimaal gebruik van de elektrische energie voor de subsystemen van het
Elektrisch rijden in Nederland
voertuig.
Simon Goessens
Battery Electric Vehicle (BEV) Bij een batterij-aangedreven voertuig loopt de aandrijflijn van de batterijen (de
De elektrische auto lijkt het vervoermiddel van de toekomst te worden. In
energiedrager) naar de motorcontroller en de elektromotor. Het batterijsysteem
de overgang van verbrandingsmotor naar elektrische aandrijving zijn allerlei
bestaat uit de batterijen zelf, het batterijmanagementsysteem (BMS) en een
combinaties te verwachten van bestaande en nieuwe technologieën: voor de
laadeenheid. Het BMS is noodzakelijk vanwege de uiteenlopende eisen die aan de
verschillende onderdelen tussen ‘gas’-pedaal en wiel wordt gebruikgemaakt van
batterijen worden gesteld. Het voorkomt te hoge temperaturen, regelt het laden
een combinatie van bestaande en nieuwe technologieën.
en ontladen, waarborgt de veiligheid en vergroot de betrouwbaarheid.
Hier worden de meest actuele uitvoeringsvormen van de aandrijflijn beschreven:
Range Extended Vehicle (REV)
hybride aandrijflijnen, battery electric vehicle (BEV) en range extended vehicle
Op dit moment kan de batterij-aangedreven auto niet voldoen aan de mobiliteits
(REV).
wensen van de gebruiker: het bereik blijft ver achter bij dat van een auto met verbrandingsmotor. Voor een groot deel van de ritten volstaan de batterijen echter wél en is een (extra) motor niet nodig. Desondanks wil de automobilist
Aandrijflijnen
zeker weten dat hij niet plotseling stil komt te staan. De range extender biedt hier uitkomst: de auto rijdt puur elektrisch totdat de batterijen bijna leeg zijn; dan laadt
Hybride aandrijflijnen
de motor, tijdens het rijden, de batterijen weer op.
In de markt zullen zich eerst allerlei hybride vormen manifesteren. Deze combineren op verschillende manieren elektrisch rijden met het traditionele rijden (met verbrandingsmotor).
Technologische ontwikkelingen
-- Parallel hybride Bij de parallel hybride kunnen zowel de verbrandingsmotor als de batterijen
Battery Electric Vehicle (BEV)
vermogen aan de wielen leveren. De parallel hybride wordt ook wel aangeduid als
Bij de batterij-aangedreven voertuigen zijn vooral de ontwikkelingen rond de
parallel hybrid electric vehicle (PHEV).
batterij en de elektromotor van belang.
-- Seriehybride / Range Extended Vehicle (REV) De seriehybride auto rijdt in eerste instantie volledig op batterijen. Indien er meer
De batterij is het opslagmedium voor de benodigde energie. Op dit moment
vermogen is vereist of als de batterijen leegraken, fungeert de verbrandingsmotor
kan ongeveer 140 tot 170 Wh/kg worden opgeslagen. Dat betekent dat er met
als generator die de batterijen oplaadt. Dit type aandrijving wordt ook wel
een batterijpakket, met een eigen gewicht van ongeveer 250 kilogram, een
aangeduid als range extender. De seriehybride wordt ook wel aangeduid als serial
bereik is van 150 kilometer. De ontwikkelingen rond deze technologie staan
hybrid electric vehicle (SHEV). Een REV is een doorontwikkelde SHEV.
echter niet stil. Het blijkt dat de lithium-ionbatterij de hoogste specifieke energie
-- Serie-/parallel hybride
6
heeft, wat betekent dat per kilogram batterij de grootste hoeveelheid energie
Van de twee genoemde primaire vormen van hybride aandrijving bestaat ook een
wordt geleverd. De verwachting is dat in 2020 ruim het dubbele van de huidige
gecombineerde versie: de serie-/parallel hybride, toegepast in bijvoorbeeld de
capaciteit kan worden behaald. In deze lijn past de ontwikkeling van een nieuwe
Toyota Prius. De voordelen van beide aandrijflijnen worden hier gecombineerd.
lithium-ionbatterij die mogelijk tot 400 Wh/kg haalt.
Batterij(d)en 2
Batterij(d)en 2
7
In de elektromotor wordt de elektrische energie die afkomstig is van de batterij
-- De derde generatie komt het dichtst in de buurt van de ideale range extender.
omgezet in mechanische energie, zodat de wielen van het voertuig kunnen
Hier zijn generator en motor samengevoegd tot één efficiënte, compacte
worden aangedreven. Elektromotoren zijn te verdelen in twee categorieën:
machine, die veel vermogen kan leveren, die duurzaam is en die geringe kosten
wisselstroommotoren en gelijkstroommotoren. Op dit moment worden
met zich meebrengt. Tot deze generatie behoort ook de range extender met
elektromotoren al in massaproductie toegepast in onder andere heftrucks,
brandstofcel. De brandstofcel heeft als nadeel dat de prijs relatief hoog is. Op
mobiele kranen en golfkarretjes. Toepassing in een personenauto vereist echter
technologische en milieutechnische punten is deze technologie echter superieur.
dat er een grotere massa kan worden voortbewogen, en er moet ook worden
Punt van aandacht is wel dat er nog weinig plekken zijn waar waterstof kan
voldaan aan hedendaagse wensen op het gebied van acceleratie, snelheid en
worden getankt. Sommige voorspellingen geven aan dat range extenders
bereik. Verder moet er rekening worden gehouden met restricties voor het
mogelijk met LPG zullen worden gevoed.
installeren (stofarme locatie, omgevingstemperatuur niet te hoog/laag e.d.). Omdat gelijkstroommotoren een relatief lage energie- en vermogenscapaciteit hebben, is de meeste winst te behalen bij de wisselstroommotoren. De
Marktanalyse
ontwikkeling naar meer eenvoudige en meer compacte motoren is terug te zien in de in-wheel-elektromotor.
Wat zijn de kansen van deze technologieën in de markt? Wat zijn de verwachtingen ten aanzien van de omvang van die markt en hun aandeel daarin?
Range Extended Vehicle (REV) Wat betreft de motor kan hier gekozen worden uit bestaande, gevestigde
Batterijtechnologie
technologieën. De Wankelmotor heeft op dit moment de beste papieren als het
De batterijtechnologie is nog in diverse opzichten in ontwikkeling. Op de langere
gaat om prijs en de periode waarbinnen deze op de markt kan worden gebracht.
termijn zijn de lithium-lucht- en lithium-zwavelbatterij te verwachten, die veel
De zuigermotor is relatief duurzaam en kan ook al redelijk competitief zijn
potentie hebben vanwege de hogere opslagcapaciteit. Tegelijkertijd blijft het
wat betreft prijs. De microturbine, tot slot, is relatief duur en heeft een lagere
onzeker of de batterijtechnologie sowieso zal doorbreken. Er zijn namelijk
efficiency. Voor de langere termijn is te verwachten dat de brandstofcel (met als
alternatieven, zoals waterstof en biobrandstoffen, die het wellicht mogelijk
brandstof waterstof) als range extender zal gaan dienen.
maken om te volstaan met de huidige technologie. Op de middellange termijn zijn de meest veelbelovende typen batterijen de lithium-siliciumbatterij, de
De ideale range extender werkt, binnen een aantal technische kaders, bij
lithium-titanaatbatterij en de lithium-tinbatterij. Deze zijn nog niet volledig geschikt
zo laag mogelijke operationele kosten, waarbij gedacht kan worden aan
voor toepassing in de auto, maar ze hebben potentieel en staan dichter bij een
brandstofverbruik, duurzaamheid en betrouwbaarheid. Deze ideale range extender
introductie op de markt dan de lithium-lucht- of lithium-zwavelbatterij.
zal niet op één moment op de markt verschijnen maar zal zich ontwikkelen in een aantal generaties: -- Bij de eerste generatie zijn de verbrandingsmotor en de generator nog twee
Elektromotortechnologie Het is de verwachting dat op de langere termijn 95% van alle auto’s elektrisch
gescheiden systemen: de verbrandingsmotor dient als energiebron voor de
zal rijden. Bedrijven die investeren in in-wheel-elektromotoren (zonder magneten)
generator, die de batterijen oplaadt. De motor is niet of nauwelijks aangepast,
zullen dan ook terrein kunnen veroveren. Op de middellange termijn, rond
en is nog groot en inefficiënt. (Voorbeeld: de Opel Ampera, uitgerust met een
2020, zal het marktaandeel van elektrische auto’s in Europa bij een normale
1.4-liter-motor.)
ontwikkeling ongeveer 26% bedragen, wat overeenkomt met ongeveer 14
-- Bij de tweede generatie zijn de verbrandingsmotor en generator nog steeds
miljoen personenvoertuigen.
gescheiden, maar de motor is aanzienlijk kleiner en eenvoudiger. (Voorbeelden: de Audi A1 e-tron met een 245cc-Wankelmotor, de Suzuki Swift met een range extender-motorinhoud van 658cc). 8
Batterij(d)en 2
Batterij(d)en 2
9
Range Extender-technologie
-- Recycling en second life – Omdat de recyclingketen aan hoge eisen dient te
De range extender-technologie van de derde generatie, waartoe ook de
voldoen, zijn verschillende bedrijven zich al op deze markt aan het oriënteren. Een
range extender met brandstofcel behoort, kent een hoge marktgroei en een
andere mogelijkheid is dat batterijen hergebruikt worden voor andere doeleinden,
(nog) laag marktaandeel. Mede door de hogere prijs zal het aantal verkochte
waardoor er een second life ontstaat. Zo zijn er bijvoorbeeld ideeën om de auto
brandstofcelauto’s in Europa de komende tien jaar waarschijnlijk onder de 15.000
als energieopslagbuffer integraal in het elektriciteitsnet te laten functioneren.
blijven, terwijl het totaal aantal range extender-auto’s (in Europa) zal oplopen
Recycling en second-life vormen een sterk groeiende markt, met een hoog
tot 100.000 à 200.000 per jaar. De tweede generatie range extenders zal in de
marktaandeel.
komende jaren een markt van enkele tienduizenden stuks vertegenwoordigen. Vanaf 2016 zal deze generatie commercieel verkrijgbaar zijn, waarbij er een
Kansen in de elektromotortechnologie
grotere markt bediend zal worden. De technologie moet zich nog bewijzen, onder
Op het gebied van de elektromotortechnologie is er relatief weinig activiteit in
andere wat betreft betrouwbaarheid.
Nederland. Vanwege de relatief korte time to market van elektrische voertuigen is het van belang dat Nederlandse bedrijven nu al investeren in deze technologie. Positieve uitzondering is het bedrijf E-traction, dat in-wheel-elektromotoren
Kansen voor het Nederlandse bedrijfsleven
fabriceert voor verschillende segmenten. Verder lopen er diverse projecten bij AutomotiveNL (de belangenbehartiger van de Nederlandse automotive-industrie)
Omdat grote autofabrikanten als Volkswagen, Renault en Mercedes zich
waarin nieuwe elektromotoren worden ontwikkeld.
decennialang hebben gespecialiseerd in de verbrandingsmotortechniek, biedt de mogelijke omschakeling naar nieuwe aandrijftechnieken kansen voor
Kansen in de range extender-technologie
kleinere bedrijven. Nederland kent op dit moment geen grote fabrikanten van
De range extender zal het Nederlandse bedrijfsleven in de toekomst mogelijk
personenvoertuigen, maar wél automerken in verschillende nichemarkten,
veel perspectief bieden. Verschillende bedrijven werken aan de derde generatie
bijvoorbeeld Spyker en DAF. In deze nichemarkten is er naar verwachting een
range extenders, waarvoor er op dit moment nog weinig tot geen afzet is. In
toekomst voor de Nederlandse industrie in de elektrische aandrijftechnologieën.
de brandstofceltechnologie is vooral Nedstack een uitschieter; het bedrijf is
Bedrijven in een relatief klein land als Nederland moeten zich specialiseren.
Europees marktleider op het gebied van PEM-brandstofcellen (polymeer elektrolyt membraan).
Kansen in de batterijtechnologie Naar verwachting zullen de kansen voor de Nederlandse bedrijven niet zozeer
Overige kansen
liggen in de productie van batterijen zelf, maar meer in een aantal andere zaken
Verder valt te denken aan kansen op het gebied van transmissie en aandrijving.
rond de verschillende batterijtechnologieën:
Verschillende Nederlandse bedrijven zijn in deze sector actief in de productie.
-- Wetenschappelijk onderzoek – Nederlandse kenniscentra lopen hierin al voorop.
Daarnaast zijn er mogelijkheden voor het leveren van onderdelen voor complete
-- Ontwikkelen, testen, certificeren – Aangezien de lithium-iontechnologie nog
producten, zoals range extenders. De kansen voor Nederlandse bedrijven
relatief nieuw is, is nog onbekend hoe deze batterijen zich gedragen bij onder
liggen hier met name in de integratie en het samenspel van de verschillende
andere botsingen en het te water gaan van het voertuig.
elementen. Daarbij kan gedacht worden aan de interactie tussen motor, batterij,
-- Het functioneren van de batterij – De verschillende cellen van de lithiumionbatterijen dienen geconditioneerd te worden omdat deze techniek gevoelig
vermogenselektronica en overige systemen. Kansen zijn er bijvoorbeeld ook in de beveiliging van elektriciteitscircuits en de communicatie tussen elektrische auto’s.
is. Hiervoor is een batterijmanagementsysteem (BMS) nodig dat de cellen in optimale conditie houdt. Bij Nederlandse bedrijven is op dit gebied veel kennis aanwezig.
10
Batterij(d)en 2
Batterij(d)en 2
11
Gevolgen voor onderwijs en technische beroepen
1 Inleiding
Er is concurrentie tussen een aantal nieuwe aandrijflijnen, en de drang tot
1.1 Achtergrond
innovatie is groot. In een dergelijk klimaat gedijt de Nederlandse industrie het best.
Elektrisch rijden zal zeer waarschijnlijk bepalend zijn voor de toekomt van de mobiliteit in Nederland. Toch valt nog moeilijk te voorspellen wanneer het land er
In het hbo en het universitair onderwijs zal zich op alle niveaus een verschuiving
echt klaar voor zal zijn.
kunnen voordoen van het ontwikkelen van een enkel apparaat naar systeemdenken; bij de ontwikkeling en bouw van een enkel apparaat zullen
De transitie naar elektrisch rijden kost veel tijd en energie. Autofabrikanten
tevens elektronica en software worden betrokken. Deze verschuiving naar
brengen al geruime tijd voertuigen met alternatieve aandrijvingen op de markt.
optimale mechatronische oplossingen dient spoedig gerealiseerd te worden
Toyota kwam in 2000 met de Prius, de eerste commerciële hybride, een
om de toekomstige werknemers in de automotive-sector goed te kunnen
revolutionaire auto die de consument liet kennismaken met hybride aandrijving.
voorbereiden op de auto’s van de toekomst. Daarnaast is een trend zichtbaar
Anno 2012 is de Prius inmiddels aan zijn vijfde generatie toe. Daarnaast brengt
naar meer aandacht voor vermogenselektronica, basismaterialen, batterijen en
een enkele producent een volledig batterij-aangedreven auto op de markt.
elektromotoren.
Voertuigen van deze laatste soort bezorgen de potentiële gebruiker echter nog steeds ‘bereikangst’ (“Red ik het wel tot…?”). Deze range anxiety leidt tot
Het beroep van automonteur zit in een technologische stroomversnelling. De
een trage acceptatie van batterij-aangedreven voertuigen: terwijl de huidige
micro-elektronica heeft haar intrede gedaan bij het regelen en monitoren van
verbrandingsmotor ons ongeveer 500 kilometer ver brengt op één tank,
de functies van de auto: storingen worden door de elektronica opgespoord;
komt de huidige batterij-aangedreven auto niet verder dan een schamele 100
reparatie is vaak het uitwisselen van componenten. De vermogenselektronica
kilometer, en dan is er ook nog een oplaadtijd van zes uur. Anderzijds is er een
bij elektrische voortbeweging stelt eigen eisen aan veilig werken. En ook de
doorontwikkeling van de verbrandingsmotor: de serieel-hybride aandrijving
brandstofcel op waterstof zal om- en bijscholing noodzakelijk maken. Meer dan
(Maatman, 2009), waarbij de elektrische aandrijving wordt gevoed door een
ooit gaat het in het garagebedrijf om een leven lang leren.
generator aan boord van het voertuig zelf. Deze wordt bijvoorbeeld toegepast in de Opel Ampera, de Auto van het Jaar 2012.
Hulpverleners (brandweer, ambulancediensten, politie) komen voor nieuwe opgaven op het gebied van veiligheid te staan. Zij krijgen te maken met de
Hoewel elektrisch rijden niet los kan worden gezien van andere ontwikkelingen
vermogenshoogspanning van batterijen en omvormers. Ook waterstoftanks en
– bijvoorbeeld op het gebied van netwerken (smart grid), infrastructuur van
brandstofcellen zullen op termijn eigen veiligheidsrisico’s meebrengen.
laadstations en maatschappelijk draagvlak – richt deze publicatie zich, vanuit een technisch perspectief, op het voertuig zelf, en dan specifiek op de aandrijving van dat voertuig. Daar doen zich namelijk de belangrijkste technologische vernieuwingen voor.
1.2 Doel van het onderzoek Gevolg van de ontwikkelingen zal zijn dat een groeiend deel van de personen auto’s zal worden uitgerust met een nieuwe aandrijflijn: de aandrijflijn met verbrandingsmotor zal langzaamaan plaatsmaken voor een compleet nieuwe 12
Batterij(d)en 2
Batterij(d)en 2
13
technologische aandrijfstructuur. Decennialang hebben autofabrikanten zich
2 Aandrijflijnen
kunnen richten op het verbeteren van de op fossiele brandstoffen gebaseerde aandrijflijn. Nu, echter, zijn de gevestigde fabrikanten op zoek naar alternatieven,
De elektrische auto lijkt het vervoermiddel van de toekomst te worden. De
waarbij er ook mogelijkheden ontstaan voor gespecialiseerde bedrijven. Nederland
overstap van verbrandingsmotor naar elektrische aandrijving vergt echter een
kent geen grote autofabrikanten en staat ook niet bekend als een land met
transitie waarin diverse barrières worden doorbroken. Behalve dat de elektrische
grote successen in deze industrie. Het staat echter wél bekend als een land
auto qua prijs nog niet klaar is voor de markt, zijn er ook barrières in de
met een kenniseconomie waarin hoogwaardige producten worden ontwikkeld.
leveringsketens, in het beleid (wet- en regelgeving) en sociale barrières. Verder
De combinatie van een behoefte aan een nieuw in te richten aandrijflijn en de
maakt elektrisch rijden het waarschijnlijker dat het zogeheten ‘slim netwerk’
aanwezigheid van een kenniseconomie moet kansen bieden om Nederland als
(smart grid) werkelijkheid wordt (Sovacool et al., 2009), waarin een auto niet
volwaardig automotive land op de kaart te zetten. Tijd dus voor een nieuwe Hiteq-
alleen elektriciteit afneemt maar op gepaste momenten ook elektriciteit aan het
verkenning naar de mogelijkheden voor Nederlandse bedrijven in deze sector.
net levert. Het huidige elektriciteitsnet is daar echter nog niet geschikt voor, al zijn er in de komende jaren op dit vlak wel technologische aanpassingen te
Het doel van dit onderzoek is antwoord te geven op de volgende vragen:
verwachten (Akerboom et al., 2011).
-- Wat zijn de nieuwste technologieën op het gebied van elektrische aandrijving? -- Welke kansen bieden deze technologieën het Nederlandse bedrijfsleven?
De barrières zullen niet in één keer doorbroken kunnen worden. Daarom zijn
-- Wat zijn de gevolgen daarvan voor het Nederlandse onderwijs.
er allerlei combinaties te verwachten van bestaande en nieuwe technologieën. Vertaald naar de aandrijflijn van een voertuig: voor de verschillende onderdelen tussen ‘gas’-pedaal en wiel wordt gebruikgemaakt van een combinatie van
1.3 Aanpak van het onderzoek
bestaande en nieuwe technologieën die per fabrikant en per voertuig kunnen verschillen.
In dit onderzoek is gebruikgemaakt van een eerdere Hiteq-verkenning naar elektrische mobiliteit in Nederland (Batterij(d)en – Maatman, 2009), desk research,
In dit hoofdstuk worden de meest actuele uitvoeringsvormen van de aandrijflijn
deelname aan congressen, bedrijfsbezoeken en interviews met experts (Een
beschreven: hybride aandrijflijnen (in 2.1), battery electric vehicle (BEV) (in 2.2) en
uitgebreide beschrijving van de onderzoeksmethode is beschreven in Goessens,
range extended vehicle (REV) (in 2.3).
2012). 2.1 Hybride aandrijflijnen Verschillende autofabrikanten produceren verschillende typen hybride auto’s waarin bestaande, vertrouwde technologieën worden gecombineerd met nieuwe technologieën. Dit zal in de aanloop naar een volledig elektrische auto ook zo blijven. Naast de mogelijkheid om elektrisch te rijden is er de mogelijkheid om LPG (Liquified Petroleum Gas), CNG (Compressed Natural Gas), biodiesel of bio-ethanol te gebruiken. Hier is sprake van ‘incrementele’ innovatie: bestaande vormen worden uitgebreid en verbeterd, wat de implementatie vergemakkelijkt (Henderson et al., 1990). Benzine, bijvoorbeeld, kan ‘bijgemengd’ worden met biobrandstoffen als bio-ethanol.
14
Batterij(d)en 2
Batterij(d)en 2
15
Op de langere termijn kunnen personenauto’s gaan rijden op batterijen of op
De vier soorten hybrides in het kort:
waterstof (Zapata et al., 2010; Maatman, 2009). Omdat hierbij fundamenteel andere technologieën worden gebruikt, is deze innovatie te bestempelen als
-- Parallel hybride
‘radicaal’: een nieuw dominant design en nieuwe kernelementen vormen een
Bij de parallel hybride (in figuur 1: e) kunnen zowel de verbrandingsmotor als
technologie met een compleet ander product als resultaat (Henderson et al.,
de batterijen vermogen aan de wielen leveren. Dit heeft tot gevolg dat de
1990). De brandstofcel en de batterij vereisen een compleet nieuwe aandrijflijn,
verbrandingsmotor op verschillende toeren moet kunnen draaien om in elke
die de gehele context van het autorijden verandert en waarbij verschillende
situatie het gevraagde vermogen te kunnen leveren. De batterijen ondersteunen
barrières worden doorbroken. Daarom zullen zich in de markt eerst hybride
de motor wanneer piekvermogen wordt gevraagd, bijvoorbeeld bij versnellen
vormen manifesteren. Deze combineren op verschillende manieren elektrisch
en rijden op hoge snelheid. Zo kan er worden volstaan met een kleinere
rijden met het traditionele rijden (met verbrandingsmotor). Zo kunnen – onder
verbrandingsmotor. Als er een energieoverschot is, kan de motor de batterijen
veranderende wet- en regelgeving – infrastructuur, autofabrikant en gebruiker zich
opladen. Bij de parallel hybride zijn er minder onderdelen dan bij de seriehybride.
aanpassen aan de veranderende auto.
De parallel hybride wordt ook wel aangeduid als parallel hybrid electric vehicle (PHEV). -- Seriehybride / Range Extended Vehicle (REV) De seriehybride auto (in figuur 1: d) rijdt in eerste instantie volledig op batterijen. Indien er meer vermogen is vereist of als de batterijen leegraken, drijft de verbrandingsmotor een generator aan die de batterijen oplaadt. Dit type aandrijving wordt ook wel aangeduid als range extender: de oplaadbare batterijen vergroten het bereik van de auto. Anders dan bij de parallelhybride aandrijving drijft de verbrandingsmotor hier dus niet direct de wielen aan. Hoewel het aantal onderdelen anders doet vermoeden, is de seriehybride de eenvoudigste
Figuur 1: De verschillende aandrijflijnen: van traditionele verbrandingsmotor tot complexe hybride (Pollet et al., 2012).
uitvoering binnen het spectrum van de hybride aandrijvingen. Voordeel is hier dat
De hybride auto verschijnt in een aantal uiteenlopende vormen op de markt.
een optimaal toerental. Nadeel is wel dat de batterijen de auto ook aandrijven in
In figuur 1 is links de auto met traditionele verbrandingsmotor te zien, die een
situaties waarin deze minder tot hun recht komen, bijvoorbeeld bij het accelereren
aanzienlijk eenvoudiger indruk maakt dan de complexe hybride auto helemaal
en bij het rijden op hoge snelheid.
rechts, die opvalt vanwege de vele verbindingen en de verschillende manieren
De seriehybride wordt ook wel aangeduid als serial hybrid electric vehicle (SHEV).
waarop energie wordt overgebracht. Bij de traditionele verbrandingsmotor gaat de benzine vanuit de tank naar de motor, die de aandrijving van de wielen mogelijk
de verbrandingsmotor, doordat hij niet gekoppeld is aan de wielen, kan draaien op
Een REV is een doorontwikkelde SHEV. -- Serie-/parallel hybride
maakt via een transmissie. Bij de complexe hybride zijn er veel meer onderdelen.
Van de twee genoemde primaire vormen van hybride aandrijving bestaat ook
Tussen deze twee uitersten zijn er verschillende vormen die de markt zullen
een gecombineerde versie: de serie-/parallel hybride (in figuur 1: f), toegepast in
kunnen betreden in de aanloop naar een volledig elektrisch aangedreven auto. De
bijvoorbeeld de Toyota Prius. De voordelen van beide aandrijflijnen worden hier
complexe hybride is één van de vier soorten hybrides in het scala.
gecombineerd. De verbrandingsmotor wordt optimaal ingezet om de batterijen te laden maar kan ook bijspringen als de batterijen niet de benodigde energie kunnen leveren. Een nadeel is dat het hier gaat om een meer complexe aandrijving, die moeilijker te construeren is. Er moeten namelijk twee extra verbindingen worden aangebracht: een mechanische link tussen de wielen en de motor en een generatorverbinding. Dit leidt ook tot een relatief hoge kostprijs (Pollet et al., 2012).
16
Batterij(d)en 2
Batterij(d)en 2
17
-- Complexe hybride
De verschillende onderdelen zijn onder te brengen in subsystemen: het
De complexe hybride aandrijving (in figuur 1: g) is een serie-/parallel hybride
batterijsysteem, het elektromotor-aandrijvingssysteem en hulpsystemen (niet
aandrijving met een optimaal gebruik van de elektrische energie voor de
aangegeven in figuur 2) (Pollet et al., 2012).
subsystemen van het voertuig. Het batterijsysteem bestaat uit de batterijen zelf, het batterijmanagementsysteem De batterij-aangedreven auto (in figuur 1: b) en de seriehybride auto (range
(BMS) en een laadeenheid. Het BMS is noodzakelijk vanwege de
extended vehicle) (in figuur 1: d), met als variant de seriehybride auto met
uiteenlopende eisen die aan de batterijen worden gesteld. De huidige nikkel-
brandstofcel (in figuur 1: c), kunnen worden gezien als mijlpalen in de
metaalhydridebatterij (NiMH) wordt langzamerhand vervangen door de lithium-
transitie naar elektrisch rijden, die op de wat langere termijn marktaandeel
ionbatterij vanwege de hogere vermogenscapaciteit en energiedichtheid van deze
zullen kunnen verwerven. Deze beide vormen van aandrijving worden in dit
laatste. De lithium-ionbatterij is echter ook gevoeliger voor veranderingen. Het
onderzoek nader bestudeerd. In het vervolg van dit hoofdstuk wordt gekeken
BMS voorkomt te hoge temperaturen, regelt het laden en ontladen, waarborgt de
naar de componenten; in hoofdstuk 3 is er aandacht voor de technologische ontwikkelingen bij beide vormen.
veiligheid en vergroot de betrouwbaarheid (Chacko et al., 2012). -- Het elektromotor-aandrijvingssysteem bestaat uit de voertuigcontrole, vermogenselektronica, de elektromotor en de transmissie (en beslaat dus in feite
Een complete aandrijflijn bestaat uit tientallen onderdelen. Voor de duidelijkheid worden hier alleen de hoofdcomponenten benoemd.
de laatste twee blokken in het model van figuur 2). -- Bij de batterij-aangedreven auto liggen de technologische uitdagingen vooral op het gebied van de batterijtechnologie (Pollet et al., 2012). Vooral wat betreft de energieopslag en het leveren van vermogen zijn hier verbeteringen noodzakelijk (Gerssen-Gondelach et al., 2012). De lithium-ionbatterij wordt, vanwege zijn
2.2 Battery Electric Vehicle (BEV)
betere eigenschappen, gezien als de batterij voor de auto van de toekomst. Figuur 2 is een vereenvoudigd schematisch model van een batterij-aangedreven voertuig. De aandrijflijn loopt van de batterij (de energiedrager) naar de motorcontroller en de elektromotor. De motorcontroller zorgt voor een optimale
2.3 Range Extended Vehicle (REV)
spreiding van de elektrische energie, zodat de verschillende onderdelen niet worden overbelast. Vervolgens zet de elektromotor de elektrische energie om
De tweede aandrijflijn die hier wordt onderzocht is de seriehybride. De hiermee
in mechanische energie, waarna deze getransporteerd kan worden naar de
uitgeruste auto wordt ook wel aangeduid als range extended vehicle (REV) of
transmissie. De transmissie zorgt vervolgens voor de overbrenging op de wielen.
electric range extended vehicle (EREV), omdat de motor het (elektrisch) bereik van het voertuig aanzienlijk vergroot. Op dit moment kan de batterij-aangedreven
Battery
Motor controller AC/DC + electric motor:
Transmission
Figuur 2: Model van een batterij-aangedreven voertuig (Gerssen-Gondelach et al., 2012, aangepast).
auto niet voldoen aan de mobiliteitswensen van de gebruiker: het bereik blijft ver achter bij dat van een auto met verbrandingsmotor. Voor een groot deel van de ritten volstaan de batterijen echter wél en is een (extra) motor niet nodig. Desondanks wil de automobilist zeker weten dat hij niet plotseling stil komt te
18
Battery pack
staan. De range extender biedt hier uitkomst (Ribau et al., 2012): de auto rijdt puur
In een batterij-aangedreven auto zijn altijd meerdere batterijen aanwezig. Ze zijn
elektrisch totdat de batterijen bijna leeg zijn; dan laadt de motor, tijdens het rijden,
geschakeld in een battery pack. Dit is ook het geval bij de hybride aandrijflijnen
de batterijen weer op.
Batterij(d)en 2
Batterij(d)en 2
19
Opmerkelijk aan dit model is dat er geen laadeenheid aanwezig is en dat alle benodigde energie door de verbrandingsmotor wordt gegenereerd. Het model Transmission
Fuel tank Internal combust engine
Electric drive motor
lijkt weinig efficiënt, aangezien er een extra schakel tussen de wielen en de verbrandingsmotor is geplaatst. Toch kan dit de efficiëntie juist ten goede komen: Battery pack
Electric generator motor
de ontkoppeling zorgt ervoor dat de verbrandingsmotor op een gunstiger toerental kan draaien. De motor dient hiervoor wel aangepast te worden (zie 3.2). Ook zijn hier de overeenkomsten te zien tussen de ‘gewone’ REV en de waterstof-REV: de energiestromen lopen exact gelijk. Het verschil is dat bij de ene variant een generator wordt aangedreven door een verbrandingsmotor, terwijl bij de andere de elektriciteit direct door de brandstofcel wordt opgewekt (Pollet et al., 2012). Er zijn ook overeenkomsten met de batterij-aangedreven auto: de
Figuur 3: Aandrijflijn met (peak) battery (Varnhagen et al., 2011).
batterij-aangedreven auto heeft net als de REV een transmissie, batterijen, een motorcontroller en een elektromotor. De REV is daarnaast uitgerust met een
Figuur 3 toont de componenten van de seriehybride aandrijflijn (Varnhagen et al.,
brandstoftank, een verbrandingsmotor en een generator.
2011; de energiestromen zijn in dit model niet weergegeven). Na verdere analyse van de verschillende aandrijflijnen (Goessens, 2012) zijn Fuel storage
Fuel storage
ICE generator
Fuel cell stack
(Peak) battery
(Peak) battery
Motor controller
Motor controller
Electric motor
Electric motor
Transmission
Transmission
op componentenniveau twee schematische modellen gedestilleerd, die als basismodel hebben gediend voor het verdere onderzoek (figuur 5). Tank
Motor
Lader
Generator
Batterijen
Converter
Motorcontroller
Figuur 4: De aandrijflijn met peak battery en electric drive motor: links met verbrandingsmotor, rechts met brandstofcel (Vliet et al., 2010).
Elektromotor
In figuur 4 is de seriehybride aandrijflijn weergegeven. Duidelijk is te zien dat de
Transmissie
verbrandingsmotor de wielen niet rechtstreeks aandrijft. De brandstof gaat van de tank naar de verbrandingsmotor, die de opgewekte elektriciteit doorgeeft aan de motorcontroller. Deze bepaalt, afhankelijk van de vraag, waar de elektriciteit naar
Figuur 5: Schematische weergave van de twee in dit onderzoek onder de loep genomen elektrische aandrijflijnen: de REV en de BEV. Het deel van de aandrijflijn dat de aandrijving tot een seriehybride (REV) maakt, is in rood weergegeven, de BEV-lijn is in blauw weergegeven.
toe gaat: naar de elektromotor en uiteindelijk naar de wielen, of naar de batterij omdat deze bijna leeg is of ondersteuning nodig heeft. 20
Batterij(d)en 2
Batterij(d)en 2
21
3 Technologische ontwikkelingen In dit hoofdstuk komen de technologische ontwikkelingen aan de orde die zich voordoen rond de componenten van de aandrijflijn. De meeste onderzoeken spitsen zich toe op de componenten die nog het minst efficiënt zijn, te weten de elektromotor (92%) en de batterij (90%) (Campanari et al., 2009; Leadbetter et al., 2012). In 3.1 worden de ontwikkelingen bezien die zich voordoen bij de batterij-aangedreven voertuigen (BEV); in 3.2 komen de ontwikkelingen in de seriehybride / range extended vehicle (REV) aan bod. De bespreking van de ontwikkelingen hier is gebaseerd op globale verwachtingen; voor meer gedetailleerde technische uitwerkingen wordt verwezen naar de bijlagen van deze publicatie.
3.1 Battery Electric Vehicle (BEV) Bij de batterij-aangedreven voertuigen zijn vooral de ontwikkelingen rond de batterij en de elektromotor van belang. 3.1.1 Batterij De batterij is het opslagmedium voor de benodigde energie. Op dit moment kan ongeveer 140 tot 170 Wh/kg worden opgeslagen (Dinger et al., 2010). Dat betekent dat er met een batterijpakket, met een eigen gewicht van ongeveer 250 kilogram, een bereik is van 150 kilometer. Een kleine stadsauto als de Peugeot 107 weegt 785 kg (www.peugeot.nl). Een dergelijke batterij is dan niet competitief met de huidige verbrandingsmotor. De ontwikkelingen rond deze technologie staan echter niet stil, waarbij veel inspanning is gericht op meer energieopslag per kilogram batterij.
Figuur 6: Stand van zaken in de verschillende batterijtechnologieën (Valentine-Urbschat et al., 2012). 22
Batterij(d)en 2
Batterij(d)en 2
23
Het blijkt dat de lithium-ionbatterij de hoogste specifieke energie heeft (zie figuur
De verwachting is dat in 2020 ruim het dubbele van de huidige capaciteit kan worden
6 en bijlage 1), wat betekent dat per kilogram batterij de grootste hoeveelheid
behaald (Meyer, 2009). In deze lijn past de ontwikkeling van een nieuwe lithium-
energie wordt geleverd. Daarnaast heeft de lithium-ionbatterij de hoogste
ionbatterij die mogelijk tot 400 Wh/kg haalt (ENVIA, 2012). Hierbij dient rekening te
energiedichtheid per volume: gemiddeld rond de 300 Wh per liter. Vanwege deze
worden gehouden met het gegeven dat het uiteindelijke vermogen dat uit een aantal
dominantie zijn de meeste onderzoeksinspanningen juist op deze technologie
gecombineerde cellen wordt gehaald, geringer is dan de theoretische waarde. Met
gericht, met een focus op het verbeteren van de capaciteit door een toename van
dit type batterij zal een auto ruim 450 kilometer kunnen rijden, maar dit vraagt nog
actief materiaal in de opbouw, een hogere veiligheid en een langere levenscyclus
zeker enkele jaren testen en aanpassen voor het werkelijke gebruik in een auto. Als
(Boekesteyn, 2009). Daarnaast zijn er verbeteringen te verwachten wat betreft
deze innovatie succesvol blijkt, wordt een bereik gerealiseerd dat 50% hoger ligt dan
levensduur, werktemperatuur en het gebruik van duurzame, milieuvriendelijke
waar experts van ERTRAC (European Road Transport Research Advisory Council)
en ruim beschikbare materialen (Notten, 2010). Ook kostenbesparing en het
eerder van uitgingen (Dinger et al., 2010).
specifieke vermogen zullen onderwerpen van onderzoek zijn (Dinger et al., 2010). 3.1.2 Elektromotor De lithium-ionbatterij
De elektrische energie die afkomstig is van de batterij wordt in de elektromotor
De verbeterde prestaties van de lithium-ionbatterij worden mogelijk gemaakt
omgezet in mechanische energie, zodat de wielen van het voertuig kunnen
door gebruik van andere materialen. Om dit inzichtelijk te maken volgt hier
worden aangedreven. Elektromotoren zijn te verdelen in twee categorieën:
een korte introductie van de werking van een lithium-ionbatterij (zie ook
wisselstroommotoren en gelijkstroommotoren (zie bijlage 2).
figuur 7). Een batterij van dit type bestaat grofweg uit drie delen: de anode, de kathode en de separator gevuld met een elektrolyt. Voor de anode wordt momenteel vooral grafiet gebruikt (Valentine-Urbschat et al., 2009). Dit wordt in de toekomst mogelijk vervangen door titanaat. De kathode is momenteel meestal gemaakt van lithium, ijzerfosfaat, mangaanoxide, kobaltoxide of nikkeloxide (Boekesteyn, 2009; Op den Brouw, 2012). Op de langere termijn kunnen luchtkathodes of zwavelkathodes worden verwacht. In bijlage 1 wordt dieper ingegaan op deze ontwikkeling Oplaadbare Li-ion batterij e-
e-
_
+ Li+
Figuur 8: Elektromotor gebruikt in Dakar 2012 bij de eerste elektrische off-road rallyauto (www.technologicvehicles.com).
laden
e-
e-
kathatode
ontladen anode
Li+
grafiet
ionentransporterend elektroliet
LiCoO2
Figuur 7: Schematische weergave van een Li-ion batterij (bron: vrij naar P.G. Bruce, University of St. Andrews, Scotland, 2007, (vertaald))
24
Batterij(d)en 2
Op dit moment worden elektromotoren al in massaproductie toegepast in onder andere heftrucks, mobiele kranen en golfkarretjes. Toepassing in een personenauto vereist echter dat er een grotere massa kan worden voortbewogen, en er moet ook worden voldaan aan hedendaagse wensen op het gebied van acceleratie, snelheid en bereik. Verder moet er rekening worden gehouden met restricties voor het installeren (stofarme locatie, omgevingstemperatuur niet te hoog/laag e.d.) (Valentine-Urbschat et al., 2009).
Batterij(d)en 2
25
Omdat gelijkstroommotoren een relatief lage energie- en vermogenscapaciteit
Bij de motor kan gekozen worden uit bestaande, gevestigde technologieën,
hebben, is de meeste winst te behalen bij de wisselstroommotoren. Een van
zoals de zuigermotor, de Wankelmotor en de microturbine. Dit zijn allemaal
de grootste uitdagingen is de elektromotor technologisch gezien heel anders uit
verbrandingsmotoren met elk eigen voor- en nadelen en eigen situaties waarin
te voeren zonder functionaliteit in te leveren. Een overweging van een geheel
zij hun beste toepassing vinden (zie ook bijlage 3). Als gevolg van veranderende
andere orde is dat de in de motoren gebruikte magneten voornamelijk uit China
eisen maken al deze technologieën aanzienlijke ontwikkelingen door.
afkomstig zijn, waardoor er een grote afhankelijkheid is ontstaan van een land met
Verschillende bedrijven werken eraan om de huidige motoren optimaal geschikt
een minder stabiele politieke situatie (Valentine-Urbschat et al., 2009).
te maken voor gebruik als range extender (Goessens, 2012).
De ontwikkeling naar meer eenvoudige en meer compacte motoren is terug
Voor de langere termijn is te verwachten dat de brandstofcel (met als brandstof
te zien in de in-wheel-elektromotor (figuur 9). Door de verplaatsing van de
waterstof) als range extender zal gaan dienen. Voor het zover is, moet worden
elektromotor naar het wiel ontstaan er nieuwe mogelijkheden voor design en
geprobeerd om met de bestaande technologieën – zuigermotor, Wankelmotor en
ontwerp: doordat de wielen over een eigen krachtbron beschikken, bijvoorbeeld,
microturbine – de best mogelijke resultaten te behalen. De Wankelmotor heeft
is er ook meer controle over die wielen. De recente bouw van de SIM-LEI is een
op dit moment de beste papieren als het gaat om prijs en de periode waarbinnen
voorbeeld van deze ontwikkeling. Deze elektrische auto is zeer efficiënt, wat tot
deze op de markt kan worden gebracht. De zuigermotor is relatief duurzaam en
uiting komt in een bereik van ruim 300 kilometer. Daarnaast zijn de prestaties
kan ook al redelijk competitief zijn wat betreft prijs. De microturbine, ten slotte, is
vergelijkbaar met die van de huidige automodellen, zoals een acceleratie van 0
relatief duur en heeft een lagere efficiency.
naar 100 km/u in 4,8 seconden (CNN.com, 2011). De ideale range extender voldoet aan een aantal functionele-, prestatie- en ontwerpeisen: -- Tot de functionele eisen behoort het kunnen produceren van elektrische energie uit fossiele brandstoffen. Ook moet het mogelijk zijn om het vermogen te reguleren en dienen er voldoende gebruikssituaties te zijn waarin de range extender optimaal presteert. -- Tot de prestatie-eisen behoort een piekvermogen van ongeveer 15 tot 30 kW, waarbij het specifieke vermogen (kW/kg) vergelijkbaar is met dat van de huidige motoren: de range extender mag dus niet veel meer gaan wegen om aan dat piekvermogen te kunnen voldoen. Tevens mogen de prestaties niet afnemen Figuur 9: De onderdelen van een in-wheel-elektromotor (Williams, 2012).
gedurende het gebruik: de range extender dient te worden gebouwd voor een bepaalde tijd, en binnen die tijd moeten de prestaties op peil blijven. Tot slot dienen deze prestaties geleverd te worden zonder te veel trillingen en geluid.
3.2 Range Extended Vehicle (REV)
-- Tegelijkertijd dient te worden voldaan aan aantal ontwerpeisen. Ideaal is een compact design met een laag gewicht en een gering volume. Daarnaast moet de
Zoals al vermeld vertoont de aandrijflijn van een range extended vehicle (REV, ook
range extender kunnen functioneren in samenhang met andere onderdelen van
wel: seriehybride) veel overeenkomsten met die van een batterij-aangedreven
auto. Tot slot dient voldaan te worden aan diverse normen van ISO (International
voertuig. Daarom wordt hier alleen dat deel van de aandrijflijn besproken dat de
Organisation for Standardisation) en ECE (United Nations Economic Commission
range extender onderscheidt van de batterij-aangedreven auto, te weten: de motor die de generator aandrijft (die op zijn beurt de batterijen oplaadt).
for Europe), onder andere ISO-6469-3, ISO-16750, ECE-R100 en ECE-R10. -- De ideale range extender voldoet aan al deze eisen bij zo laag mogelijke operationele kosten, waarbij gedacht kan worden aan brandstofverbruik,
26
Batterij(d)en 2
Batterij(d)en 2
27
duurzaamheid en betrouwbaarheid. Deze ideale range extender zal niet op
bevoorrading van de tankstations zullen in eerste instantie vrachtwagens worden
één moment op de markt verschijnen maar zal zich ontwikkelen in een aantal
gebruikt; op de langere termijn zal het transport van waterstof mogelijk via
generaties:
pijpleidingen verlopen. In 2015 gaat dus een nieuwe belangrijke fase in, waarin de
-- Bij de eerste generatie is er nog een traditionele verbrandingsmotor. Een
waterstoftechnologie zich zal moeten bewijzen.
voorbeeld is hier de Opel Ampera, die is uitgerust met een 1.4-liter-motor. De verbrandingsmotor en de generator zijn hier nog twee gescheiden systemen:
Andere voorspellingen zijn dat de range extenders mogelijk met LPG zullen
de verbrandingsmotor dient als energiebron voor de generator, die de batterijen
worden gevoed. Dit jaar werd deze ontwikkeling al duidelijk uit de aanzienlijke
oplaadt. De motor is niet of nauwelijks aangepast, en is nog groot en inefficiënt.
overschakeling van benzine- naar LPG-tanks als gevolg van de stijgende
-- Bij de tweede generatie range extenders zijn de verbrandingsmotor en generator
benzineprijzen (Boomsma, 2012). In ieder geval zal de technologie van de range
nog steeds gescheiden, maar de motor is aanzienlijk kleiner en eenvoudiger.
extender nog meer gericht moeten worden op het doel waarvoor deze bedacht
Voorbeelden van deze trend naar kleiner en compacter zijn de Audi A1 e-tron,
is: een stille, zuinige, efficiënte en compacte machine die de batterijen of de
met een 245cc-Wankelmotor, en de Suzuki Swift, met een range extender-
elektromotor van energie voorziet. Waarmee de range extender gevoed wordt
motorinhoud van 658cc (ANWB, 2012).
(benzine, LPG of waterstof) kan over de tijd variëren: nu worden nog fossiele
-- De derde generatie komt het dichtst in de buurt van de al beschreven ideale range extender. Hier zijn generator en motor samengevoegd tot één efficiënte,
brandstoffen gebruikt, later zal dit verschuiven naar LPG en uiteindelijk naar waterstof.
compacte machine, die veel vermogen kan leveren, die duurzaam is en die geringe kosten met zich meebrengt. Het gaat dan om radicaal nieuwe ontwerpen die gebaseerd zijn op een van de originele technieken (Goessens, 2012). Tot deze generatie behoort ook de range extender met brandstofcel, waarbij veel verbeteringen te verwachten zijn (zie bijlage 4). De brandstofcel heeft als nadeel dat de prijs relatief hoog is. Op technologische en milieutechnische punten is deze technologie echter superieur, wat dan ook de reden is waarom veel fabrikanten erin investeren (Klostermann, 2011). Massaproductie zou de prijs kunnen doen zakken. Punt van aandacht is wel dat veel automobilisten niet snel een dergelijke auto zullen kopen zolang er weinig plekken zijn waar waterstof kan worden getankt. De kennisalliantie H2-mobility probeert dit ‘kip-ei’-probleem op te lossen. H2-mobility (waarin brandstofleveranciers en autoproducenten samenwerken) streeft naar het op de markt brengen van auto’s met brandstofcel in 2015. Aan de basis van dit streven ligt een uitgebreid onderzoek naar toekomstscenario’s, gehouden onder tientallen producenten. Het onderzoek heeft al geleid tot een verdere uitwerking van de implementatie van een waterstofinfrastructuur (McKinsey, 2009). Ook hebben verschillende autoproducenten (Daimler, Ford, General Motors, Honda, Hyundai, Kia, Renault, Nissan en Toyota) een verklaring ondertekend waarin zij aangegeven dat er kort na 2015 honderdduizenden auto’s met brandstofcel kunnen worden geproduceerd. De infrastructuur hiervoor zal in de komende jaren het eerst in Duitsland worden uitgerold. Voor de 28
Batterij(d)en 2
Batterij(d)en 2
29
4 Marktanalyse
laag wordt meestal gelegd bij het groeipercentage van het bruto nationaal product (bnp): indien de marktgroei hoger ligt dan de groei van het bnp, is er sprake van
Wat zijn de kansen van de hier besproken technologieën in de markt? Wat zijn de
hoge groei; indien de marktgroei lager ligt dan de groei van het bnp van lage groei
verwachtingen ten aanzien van de omvang van die markt en hun aandeel daarin?
(Keuning et al., 2008). Bij de bepaling van de marktgroei kan ook rekening worden
Deze informatie is van belang voor bedrijven in de automotive-sector, ook in
gehouden met een aantal andere factoren, bijvoorbeeld met de omvang van de
Nederland. Zij willen immers hun productportfolio optimaal afstemmen op de
markt, de winstgevendheid en de technologische positie (Vaghefi et al., 1998). De
(toekomstige) markt en inzicht hebben de mogelijke omvang van hun verkoop.
horizontale as van de BCG-matrix geeft het relatieve marktaandeel aan, waarbij
Bij deze marktanalyse is gebruikgemaakt van de BCG-matrix (Boston Consulting
er een onderverdeling is in hoog en laag marktaandeel; dit relatieve marktaandeel
Group) in een aangepaste vorm. Allereerst wordt in 4.1 de theorie en werking van de
geeft het marktaandeel weer in vergelijking met de aandeel van de marktleider.
BCG-matrix nader uiteengezet Vervolgens wordt in 4.2 met behulp van deze matrix een marktanalyse gemaakt voor een viertal technologieën: batterijen, elektromotor, range extender en traditionele verbrandingsmotor. Tot slot is er in 4.3 aandacht voor de kansen voor het Nederlandse bedrijfsleven in de automotive-sector.
MarktGroei
Hoog
“Star”
“Question Mark”
Laag
“Cash Cow”
“Dog”
Hoog
Laag
4.1 BCG-matrix Marktaandeel
Voor de marktanalyse is in dit onderzoek gebruikgemaakt van de BCG-matrix (in aangepaste vorm). Andere analysemodellen zijn hier minder geschikt (zie voor
Figuur 10: De BCG-matrix (Derkinderen et al., 1984).
een korte bespreking van deze andere modellen bijlage 5). Toch heeft ook de BCG-matrix een beperking. Dit model is namelijk in wezen een productportfolioanalysetool gericht op toepassing voor één bedrijf (Olsen et al., 1997). Bovendien
Vier categorieën producten -- Tot de categorie Question Mark (‘vraagteken’) behoren producten die een
hebben zeer veel bedrijven in de automotive-sector niet meer dan één van de hier
relatief laag marktaandeel hebben in een sterk groeiende markt. Vaak gaat het
besproken technologieën in huis, waardoor de BCG-matrix slechts karig gevuld
dan om producten die sterk in ontwikkeling zijn, waardoor er nog weinig afzet
zou raken. Daarom is de BCG-matrix hier per technologie ingezet. Zo kon toch een
is. Deze producten hebben daardoor een negatieve cashflow; ze genereren over
beeld worden gegeven van de marktsituatie van de verschillende technologieën.
het algemeen (nog) geen winst (Baines et al., 2010). Aangezien de markt sterk
De BCG-matrices van verschillende bedrijven zijn als het ware op elkaar gelegd,
groeit, blijft het de vraag of het product relatief veel verkocht zal worden. Andere
waarbij steeds één soort technologie wordt benadrukt. Er wordt hier dus niet
producten kunnen namelijk de markt overnemen, waardoor mogelijke winst
vanuit een bedrijf geredeneerd, maar vanuit een technologie.
uitblijft. Kortom: het is nog niet bekend wat het product zal opbrengen; vandaar het vraagteken.
De BCG-matrix (figuur 10) kent twee assen, die samen vier kwadranten vormen, waarmee de marktsituatie van een product (in dit onderzoek: een technologie)
marktaandeel in een sterk groeiende markt. Ze leveren een grote cashflow op,
kan worden gekarakteriseerd. Elk kwadrant staat voor een categorie: Question
die verdere groei mogelijk moet maken. Hierdoor is de winstgevendheid niet heel
Mark, Star, Cash Cow en Dog. Binnen deze categorieën is de grootheid niet
hoog. Op de langere termijn, wanneer minder grote investeringen noodzakelijk
winst maar cashflow. Voor bedrijven is het van groot belang dat er voldoende
zijn, kan de winstgevendheid toenemen en kan het product zich ontwikkelen tot
cashflow is om de continuïteit te kunnen waarborgen. De BCG-matrix geeft hier inzicht in (Keuning et al., 2008). De verticale as geeft de marktgroei aan, waarbij er een onderverdeling is in hoge en lage marktgroei. De grens tussen hoog en 30
-- Bij de categorie Star (‘ster’) gaat het om producten met een relatief hoog
Batterij(d)en 2
een Cash Cow. -- Tot de categorie Cash Cow (‘cashkoe’, ‘melkkoe’) behoren producten met een relatief hoog marktaandeel in een markt met een relatief lage groei. Vanwege Batterij(d)en 2
31
deze lage groei en omdat het product al enige tijd op de markt is, hoeft er nog
nog niet volledig geschikt voor toepassing in de auto, maar ze hebben potentieel
maar weinig in het product te worden geïnvesteerd, terwijl dit door zijn hoge
en staan dichter bij een introductie op de markt dan de lithium-lucht- of lithium-
marktaandeel wél winstgevend is. Deze producten zijn op de korte termijn ideale
zwavelbatterij. Indien er geen andere aandrijvingen dominant worden en het
producten (Derkinderen et al., 1984). Er wordt geld mee gegenereerd waarmee
aandeel van de batterijtechnologie gestaag toeneemt, zou het aandeel van de
kan geïnvesteerd in de Stars en de Question Marks.
elektrische auto wereldwijd kunnen oplopen tot 2,7% in 2020, wat overeenkomt
-- Tot slot is er de categorie Dog (‘hond’). Hiertoe behoren producten met een
met 1,5 miljoen voertuigen (Book et al., 2009). Hierbij geldt een richtprijs van
relatief laag marktaandeel in een markt met relatief lage groei. Er is weinig
€ 300 per kWh in 2020, waarbij in dat jaar een markt van € 20 miljard verwacht
potentieel voor deze groep producten, mede omdat ze zich aan het einde van
worden (Op den Brouw, 2012).
hun levenscyclus bevinden. Over het algemeen is het advies hier dan ook: desinvesteren (Keuning et al., 2008). In een nichemarkt kunnen deze producten nog wel winstgevend zijn (Derkinderen et al., 1984).
Hoog MarktGroei
4.2 Analyse van de technologieën
Laag
Lithium-Silicium Lithium-Tilanaat Lithium-Tin
Lithium-Lucht Lithium-Zwavel
Huidige lithium-ion
NiMH Loodaccu
Hoog
Laag
Met behulp van BCG-matrix is een marktanalyse gemaakt voor de
Marktaandeel
batterijtechnologie, de elektromotortechnologie en de range extendertechnologie. 4.2.1 Batterijtechnologie
Figuur 11: Batterijtechnologie in de BCG-matrix.
Daarnaast zijn er de huidige lithium-ionbatterijen (onder andere toegepast in de
De batterijtechnologie (figuur 11) is nog in diverse opzichten in ontwikkeling.
Opel Ampera). Ervan uitgaande dat de huidige elektrische auto aangedreven
Op de langere termijn zijn lithium-lucht- en lithium-zwavelbatterij te verwachten,
wordt door lithium-ionbatterijen, lag het wereldwijde marktaandeel van
die veel potentie heeft vanwege de hogere opslagcapaciteit. Tegelijkertijd blijft
deze technologie op 1 januari 2011 op ongeveer 0,7% (55.826 op een totaal
het onzeker of de batterijtechnologie sowieso zal doorbreken. Er zijn namelijk
van 7.735.547 voertuigen) (Roode, 2012); een situatie waarbij dus nog veel
alternatieven, zoals waterstof en biobrandstoffen, die het wellicht mogelijk
winst valt te behalen. Dit staat in contrast met het hoge marktaandeel die de
maken om te volstaan met de huidige technologie. Kortom: er is veel potentie,
batterijtechnologie volgens de matrix zou moeten hebben. Toch staat deze
maar tegelijkertijd zijn er nog veel verbeteringen nodig om de batterijtechnologie
technologie wel degelijk op de juiste plek in de matrix, aangezien hier de markt
succesvol maken. De technologie is dan ook aan te merken als behorend tot
van alternatieve aandrijvingen, en in het bijzonder die van batterijtechnologieën,
de categorie Question Mark in de BCG-matrix. Als de batterijtechnologie erin
wordt beschouwd. Binnen deze markt heeft de lithium-ionbatterij een groot
slaagt om door te breken, zou de automobielmarkt in 2050 voor 35% uit batterij-
aandeel.
aangedreven auto’s kunnen bestaan. Dit zou betekenen dat er dan wereldwijd 875 miljoen auto’s zouden zijn voorzien van batterijen als primaire aandrijving,
Tot slot zijn er de zogenaamde Dogs binnen de batterijtechnologie. Dit zijn vooral
waarbij een richtprijs zou moeten gelden van € 170 per kWh. Dat is dan ook de
de oudere typen batterijen. Hieronder valt de loodaccu, die het starten van de
prijs waarop ontwikkelaars zouden kunnen gaan inzetten (McKinsey, 2009). Ter
auto mogelijk maakt en voor de verlichting zorgt. Dit type batterij kan niet het
vergelijking: de huidige prijs ligt op ongeveer € 871 per kWh.
gewenste vermogen leveren voor de aandrijving van de auto en zal daarom op termijn verdwijnen. De nikkelmetaalhydridebatterij (NiMH) was een van de eerste
Op de middellange termijn zijn de meest veelbelovende typen batterijen de
batterijen voor elektrische auto’s. Vanwege de superieure capaciteiten van de
lithium-siliciumbatterij, de lithium-titanaatbatterij en de lithium-tinbatterij. Deze zijn
lithiumtechnologie zal ook dit type batterij op termijn verdwijnen. Mogelijk kan het in een andere nichemarkt dienen.
32
Batterij(d)en 2
Batterij(d)en 2
33
4.2.2 Elektromotortechnologie
4.2.3 Range Extender-technologie
Ook in de elektromotorindustrie (figuur 12) zijn er belangrijke ontwikkelingen
De range extender-technologie van de derde generatie (zie 3.2 voor een
gaande. Het is de verwachting dat op de langere termijn 95% van alle auto’s
karakteristiek van de drie generaties), waartoe ook de range extender met
elektrisch zal rijden. Bedrijven die investeren in in-wheel-elektromotoren (zonder
brandstofcel behoort, is een Question Mark in de BCG-matrix van de range
magneten) zullen dan ook terrein kunnen veroveren. Met een geschat huidig
extenders (figuur 13). Mede door de hogere prijs zal het aantal verkochte
wagenpark van wereldwijd 2,38 miljard personenvoertuigen is er een zeer grote
brandstofcelauto’s in Europa de komende tien jaar waarschijnlijk onder de 15.000
markt met veel mogelijkheden voor de bedrijven (McKinsey, 2009).
blijven, terwijl het totaal aantal range extender-auto’s (in Europa) zal oplopen tot 100.000 à 200.000 per jaar (Klostermann, 2011).
Op de middellange termijn, rond 2020, zal het marktaandeel van elektrische auto’s in Europa bij een normale ontwikkeling ongeveer 26% bedragen, wat
De tweede generatie range extenders zal in de komende jaren een markt van
overeenkomt met ongeveer 14 miljoen personenvoertuigen (Book et al., 2009).
enkele tienduizenden stuks vertegenwoordigen. Vanaf 2016 zal deze generatie
Deze zullen tegen die tijd betere elektromotoren hebben, die aangepast zijn voor
commercieel verkrijgbaar zijn, waarbij er een grotere markt bediend zal worden
gebruik in een personenauto. Het gaat dan nog wel om elektromotoren met
(Klostermann, 2011). Voorbeelden van auto’s die deze technologie met zich mee
permanente magneten. In 2017 kan de Europese omzet van personenauto’s met
dragen, zijn de Audi e-tron en de Suzuki Swift (ANWB, 2012). Dit zijn ‘concept-
dergelijke elektromotoren al € 1,7 miljard bedragen (Feick, 2012). Wereldwijd kan
auto’s’, die nog niet commercieel verkrijgbaar zijn. De technologie moet zich nog
deze markt oplopen tot € 3,6 miljard (Valentine-Urbschat et al., 2009).
bewijzen, onder andere op het gebied van betrouwbaarheid (Klostermann, 2011).
Tot slot zijn er de elektromotoren die worden toegepast in elektrische auto’s die
Bij de range extenders van de eerste generatie zijn nog de vertrouwde
nu op markt zijn. In 2010 waren deze goed voor een omzet van € 55 miljoen in
verbrandingsmotoren toegepast. Voorbeelden zijn hier de Opel Ampera (in
Europa, en er is een verwachte groei van ongeveer 50% per jaar (Feick, 2012).
Nederland) en de Fisker Karma. Met een aanschafprijs van ruim € 45.000 is de
Dat zou betekenen dat er in 2012 een omzet is van ruim € 120 miljoen.
Opel Ampera een relatief prijzige auto, zeker in vergelijking met bijvoorbeeld
Hoog MarktGroei
Laag
Grotere elektromotoren aangepast aan gebruik van auto
Wisselstroom in-wheel elektromotoren aangepast aan autogebruik
de Range Rover Evoque (www.autoweek.nl, 2011) die meer comfort biedt en, anders dan de Ampera, een zekere massa mag trekken. Desondanks worden er van de Opel Ampera – mede als gevolg van de 0% bijtelling – in
Huidige elektromotoren
Nederland gemiddeld 161 stuks per maand verkocht (2011/2012), wat deze auto ruimschoots de best verkochte elektrische auto maakt (www.groen7.nl, 2012). De
Hoog
Laag
elektrische Fisker Karma is met een prijs van ruim € 100.000 vooral een sportieve auto voor de meer vermogende koper. De range extender betreft hier een 2.0-liter
Marktaandeel
direct ingespoten turboviercilinder van 260 pk; het verbruik bij sportief rijgedrag is dan ook ongeveer 1 op 10 (Robbie, 2012). Kortom: aan de technologie van de
Figuur 12: Elektromotortechnologie in de BCG-matrix.
eerste generatie range extenders zitten nog wel wat haken en ogen. Maar omdat deze auto’s wel de eerste zijn die op de markt verschijnen, worden ze ervaren als uniek, wat mogelijk een verklaring is voor de relatief hoge verkoopaantallen.
34
Batterij(d)en 2
Batterij(d)en 2
35
Het marktaandeel van elektrische auto’s is nog laag, maar, zoals blijkt uit het voorgaande, zijn de vooruitzichten goed. De oude, vervuilende en inefficiënte verbrandingsmotoren zullen naar verwachting steeds meer plaatsmaken voor verbrandingsmotoren die geoptimaliseerd zijn voor toekomstig gebruik. Het bereiken van een hoog toerental is hierbij niet noodzakelijk, waardoor het formaat van de motor kan worden beperkt (zie 3.2). Hoog MarktGroei
Laag
Tweede generatie range-extenders
Derde generatie range-extenders
Eerste generatie range-extenders
Traditionele verbrandingsmotor
Hoog
Laag
Marktaandeel
Figuur 13: Range extender-technologie in de BCG-matrix.
36
Batterij(d)en 2
Batterij(d)en 2
37
4.3 Kansen voor het Nederlandse bedrijfsleven
over richtlijnen betreffende deze auto in het algemeen en het batterijenpakket in het bijzonder. Hier liggen dus zeker kansen op het gebied van het testen en
De opkomst van de nieuwe aandrijftechnieken biedt kansen voor bedrijven die
certificeren van batterijen. Hieraan wordt onder andere gewerkt door het EEMC
nog niet eerder in de automotive-sector actief waren. Omdat autofabrikanten als
(European Electric Mobility Centre) en Intertek (E-mobility, 2012).
Volkswagen, Renault en Mercedes zich decennialang hebben gespecialiseerd in de verbrandingsmotortechniek, biedt de mogelijke omschakeling kansen
Ook het functioneren van de batterij in de auto biedt kansen. De verschillende
voor kleinere bedrijven om met radicale technologie de traditionele fabrikanten
cellen van de lithium-ionbatterijen dienen geconditioneerd te worden omdat
voorbij te streven. De bedrijven die deze nieuwe technologie zullen leveren,
deze techniek gevoelig is. Dit betekent, onder andere, dat het batterijenpakket
opereren veelal business-to-business: ze zijn toeleveranciers van autofabrikanten
niet te diep moet ontladen en weinig temperatuurfluctuaties moet ondergaan,
of toeleveranciers van toeleveranciers. Nederland kent op dit moment geen
en dat de individuele cellen degelijk gebalanceerd dienen te zijn. Hiervoor is
grote fabrikanten van personenvoertuigen. Alleen bij VDL NedCar worden er
een batterijmanagementsysteem (BMS) nodig dat de cellen in optimale conditie
op grote schaal voertuigen geproduceerd. Wél kent Nederland automerken in
houdt, zodat de prestaties van de batterij niet te snel afnemen. Bij Nederlandse
verschillende nichemarkten, bijvoorbeeld Spyker en DAF. In deze nichemarkten is
bedrijven is veel kennis aanwezig op het gebied van de hiervoor benodigde
er naar verwachting een toekomst voor de Nederlandse industrie in de elektrische
software. Verschillende spin-offs en andere bedrijven zijn al geruime tijd actief op
aandrijftechnologieën. Wereldwijd gaan de ontwikkelingen rond alternatieve
dit terrein (De Bont, 2011).
aandrijvingen razendsnel. Bedrijven in een relatief klein land als Nederland zullen zich daarom moeten specialiseren om op die manier hoogwaardige technologie
Tot slot liggen er kansen bij de second life-toepassingen van batterijen. Na gebruik
te kunnen leveren. Dat proces is momenteel al gaande, maar zal versterkt kunnen
in een auto kunnen er in feite twee dingen gebeuren met het batterijenpakket.
worden als de elektrische auto doorbreekt.
De eerste mogelijkheid is recycling. Met de komst van elektrisch aangedreven auto’s zullen grotere hoeveelheden batterijen worden geproduceerd. Omdat
In het vervolg van dit hoofdstuk wordt nagegaan welke kansen er zijn voor Nederlandse
de recyclingketen aan hoge eisen dient te voldoen, zijn verschillende bedrijven
bedrijven in de batterijtechnologie, de elektromotortechnologie en de range extender-
zich al op deze markt aan het oriënteren. Niet alleen vanwege de oprukkende
technologie. Tot slot worden de overige kansen in de aandrijflijn kort besproken.
elektrische auto, maar ook omdat de ontwikkelingen in de batterijtechnologie niet stilstaan. Deze combinatie van hoge eisen en snelle ontwikkelingen maakt
4.3.1 Kansen in de batterijtechnologie Naar verwachting zullen de kansen voor de Nederlandse bedrijven niet zozeer
het noodzakelijk dat bedrijven snel vertrouwd zijn met deze keten. De tweede mogelijkheid is dat de batterijen hergebruikt worden voor andere doeleinden,
liggen in de productie van batterijen zelf, maar meer in een aantal andere zaken
waardoor er een second life ontstaat. Zo zijn er bijvoorbeeld ideeën om de auto
rond de verschillende batterijtechnologieën.
als energieopslagbuffer integraal in het elektriciteitsnet te laten functioneren. Bij onvoldoende prestaties in de auto is het wellicht mogelijk dat de batterij elders
38
Ten eerste is er wetenschappelijk onderzoek. Nederlandse kenniscentra lopen
nog wél voldoet, bijvoorbeeld als opslag voor decentraal opgewekte elektriciteit
hierin voorop en kunnen zich in de toekomst profileren als onderzoekscentra voor
aan huis. Zo kan enige onzekerheid worden weggenomen over de restwaarde van
batterijtechnologie.
batterijen.
Vervolgens dient de technologie ontwikkeld en getest te worden. Aangezien de
De BCG-matrix van de activiteiten van het Nederlandse bedrijfsleven op het
lithium-iontechnologie nog relatief nieuw is, is nog onbekend hoe deze batterijen
gebied van batterijtechnologie (figuur 14) laat zien dat er nog maar weinig groei zit
zich gedragen bij onder andere botsingen en het te water gaan van het voertuig.
in de markt van het verwerken van loodaccu’s (waar veel bedrijven zich totnogtoe
De brandweer weet momenteel nog niet goed hoe zij in dit soort situaties met
op richtten). Dit is te wijten aan de omschakeling naar nieuwere technologieën.
deze technologie om moet gaan (Peperzeel, 2012). Wanneer, bijvoorbeeld, de
Recycling en second-life is daarentegen een sterk groeiende markt, met een
huidige Opel Ampera betrokken raakt bij een ongeluk, beschikt de brandweer niet
hoog marktaandeel, mede doordat er nu voor het eerst grotere hoeveelheden
Batterij(d)en 2
Batterij(d)en 2
39
elektrische auto’s naar de verwerking gaan. Een hoge groei en een hoog marktaandeel is er ook voor het batterijmanagementsysteem (BMS), dat niet alleen in de toekomst maar ook nu al nodig is in elektrische auto’s. Het onderzoek naar lithium-lucht en lithium-zwavel valt in de categorie Question Mark: er wordt vooral geïnvesteerd; de winstgevendheid is onzeker. Hoog MarktGroei
Laag
Recycling en second-life BMS
Onderzoek naar lithium-lucht en lithium-zwavel
Verwerken loodaccu batterijen
Hoog
Laag
Marktaandeel
Figuur 14: Kansen voor batterijtechnologie in Nederland in de BCG-matrix.
4.3.2 Kansen in de elektromotortechnologie Op het gebied van de elektromotortechnologie is er relatief weinig activiteit in Nederland. Vanwege de relatief korte time to market van elektrische voertuigen is het van belang dat Nederlandse bedrijven nu al investeren in deze technologie. Positieve uitzondering is het bedrijf E-traction, dat in-wheel-elektromotoren fabriceert voor verschillende segmenten. In de BCG-matrix valt dit bedrijf dan ook binnen de categorie Question Mark (figuur 15). Andere bedrijven in deze sector zijn er echter niet, waardoor de mogelijkheden beperkt zijn. Wél lopen er diverse projecten bij AutomotiveNL (de belangenbehartiger van de Nederlandse automotive-industrie) waarin nieuwe elektromotoren worden ontwikkeld. Uit deze projecten kunnen zich bedrijven ontwikkelen die inspringen op de resultaten en die de gevonden technologie verder ontwikkelen. E-traction Projecten AutomotiveNL
Hoog MarktGroei
Laag
Hoog
Laag
Marktaandeel
Figuur 15: Kansen voor elektromotortechnologie in Nederland in de BCG-matrix.
40
Batterij(d)en 2
Batterij(d)en 2
41
De verwachting is verder dat elektrische auto’s met elkaar zullen gaan
4.3.3 Kansen in de range extender-technologie PEEC Power Microturbine Technology NedStack
Hoog MarktGroei
communiceren, en dat het internet meer en meer een rol zal spelen in de auto (HTAS, 2009). AutomotiveNL richt zich binnen het kader Smart Mobility op deze ontwikkeling onder de noemer Vehicle Guidance. De ontwikkelingen zijn nu al duidelijk zichtbaar in ondersteunende systemen bij remmen, parkeren en
Laag
het wisselen van rijbaan, en in de dodehoeksensor. In de Amerikaanse staat Hoog
Laag
Nevada is de eerste volledig autonoom rijdende auto al toegelaten (Nevada DMV, 2012). Het produceren van dergelijke technologie vereist complexe algoritmes,
Marktaandeel
en dus hoogopgeleide mensen. Nederland is op het gebied van internet- en softwarediensten een koploper. Gevolg hiervan is dat er een kwalitatief hoog
Figuur 16: Kansen voor range extender-technologie in Nederland in de BCG-matrix.
en degelijk netwerk beschikbaar is, dat als basis kan dienen voor deze verdere ontwikkelingen.
De range extender (figuur 16) zal het Nederlandse bedrijfsleven in de toekomst mogelijk veel perspectief bieden. Verschillende bedrijven zijn op dit terrein actief, zoals PEEC en Micro Turbine Technology. Deze bedrijven werken aan de derde generatie range extenders, waarvoor er op dit moment nog weinig tot geen afzet
Hoog MarktGroei
Testen en certificeren
Samenspel tussen technologieën Aanpassing ABS, EPS, etc. Communicatie tussen auto’s.
Laag
is. In de brandstofceltechnologie is vooral Nedstack een uitschieter; het bedrijf is Europees marktleider op het gebied van PEM-brandstofcellen (polymeer elektrolyt
Samenspel tussen technologieën Aanpassing ABS, EPS, etc. Communicatie tussen auto’s.
Hoog
Laag
membraan) (zie bijlage 4). Deze technologie is nog volop in ontwikkeling en nog niet klaar voor de markt, al is er ondanks het lage marktaandeel wel veel potentie.
Marktaandeel
Omdat de bedrijven in deze technologie veelal in derde generatie range extenders investeren, zijn ze in de BCG-matrix als Question Mark aangemerkt. 4.3.4 Overige kansen in de aandrijflijn
Figuur 17: Overige kansen in de aandrijflijn in Nederland in de BCG-matrix.
Een aantal van deze kansen is ondergebracht in de BCG-matrix (figuur 17). Het
Bij deze overige kansen valt vooral te denken aan kansen op het gebied van
samenspel van de technologieën en de communicatie tussen auto’s zijn meer
transmissie en aandrijving. Verschillende Nederlandse bedrijven (Van Bosch
zaken voor de langere termijn (Question mark). Testen en certificeren valt in de
Transmissies, DTI) zijn in deze sector actief in de productie. Daarnaast zijn er
categorie Star, omdat er op dit moment al elektrische auto’s op de weg zijn: hoge
mogelijkheden voor het leveren van onderdelen voor complete producten, zoals
marktgroei en een hoog marktaandeel.
range extenders. Een voorbeeld is Nedschroef, dat wereldspeler is in bouten en moeren, waarvan er alleen al in de aandrijving en versnellingsbak 350 aanwezig zijn (Eindhovens Dagblad, 2012). De kansen voor Nederlandse bedrijven liggen hier met name in de integratie en het samenspel van de verschillende elementen. Daarbij kan gedacht worden aan de interactie tussen motor, batterij, vermogenselektronica en overige systemen. Maar kansen zijn er ook in de beveiliging van elektriciteitscircuits (Vroe et al., 2010). Daarnaast worden systemen als ABS, ESP, regensensoren en lichtsensoren van elektriciteit voorzien, en hierin is zeker groei te verwachten. 42
Batterij(d)en 2
Batterij(d)en 2
43
5 Gevolgen voor onderwijs en technische beroepen
lang leren. Waarbij de automotive-branche zich bezorgd afvraagt of de roc’s het tempo van de ontwikkelingen zullen kunnen volgen (FHA, 2010).
Uit deze studie komt een beeld naar voren van snelle technologische ontwikkelingen. Er is concurrentie tussen een aantal nieuwe aandrijflijnen, en
Ook hulpverleners (brandweer, ambulancediensten, politie) komen voor nieuwe
de drang tot innovatie is groot. In een dergelijk klimaat gedijt de Nederlandse
opgaven op het gebied van veiligheid te staan. Behalve met explosieven in
industrie het best (Groeneveld et al., 2008 – scenario Hollands Glorie).
airbags krijgen zij te maken met de vermogenshoogspanning van batterijen en omvormers. Ook waterstoftanks en brandstofcellen zullen op termijn eigen
Een transitie naar elektrisch rijden houdt in dat er nieuwe technologieën zullen
veiligheidsrisico’s meebrengen.
worden gebruikt voor de aandrijving. Dit beïnvloedt niet alleen de auto zelf, maar ook de hele automotive-sector en een aantal sectoren daaromheen. Eén van deze sectoren is het onderwijs, waar studenten worden opgeleid om in de toekomst met de nieuwe technologieën te gaan werken. In de innovatieve maakindustrie gaat het dan met name om hbo’ers en universitair opgeleiden; bij reparatie en onderhoud van auto’s om mbo’ers. Voor vwo en havo zal de transitie geen gevolgen hebben, zo is de verwachting. Deze leiden immers generiek en breed op, en verschaffen de leerling basiskennis. In het hbo en het universitair onderwijs zullen er wél gevolgen zijn: op alle niveaus zal zich een verschuiving kunnen voordoen van het ontwikkelen van een enkel apparaat naar systeemdenken; bij de ontwikkeling en bouw van een enkel apparaat zullen tevens elektronica en software worden betrokken. Deze verschuiving naar optimale mechatronische oplossingen dient spoedig gerealiseerd te worden om de toekomstige werknemers in de automotive-sector goed te kunnen voorbereiden op de auto’s van de toekomst (FHA, 2010). Daarnaast is een trend zichtbaar naar meer aandacht voor vermogenselektronica, basismaterialen, batterijen en elektromotoren. De verwachting is dat deze trend zich zal doorzetten. Op de universiteit zal gerichter fundamenteel onderzoek worden gedaan op het gebied van aandrijftechnologieën. Het beroep van automonteur zit in een technologische stroomversnelling. De vereiste kennis en vaardigheden voor het onderhouden en repareren van voertuigen veranderen snel. De micro-elektronica heeft haar intrede gedaan bij het regelen en monitoren van de functies van de auto: storingen worden door de elektronica opgespoord; reparatie is vaak het uitwisselen van componenten. De vermogenselektronica bij elektrische voortbeweging stelt eigen eisen aan veilig werken. En ook de brandstofcel op waterstof zal ongetwijfeld om- en bijscholing noodzakelijk maken. Meer dan ooit gaat het in het garagebedrijf om een leven 44
Batterij(d)en 2
Batterij(d)en 2
45
6 Conclusie
De range extender zal naar verwachting in drie generaties op de markt verschijnen, waarbij de technologie steeds meer aan de eisen van de ideale range extender zal
Hoofdcomponenten van de elektrische aandrijflijn
voldoen. Op de lange termijn zal het waarschijnlijk de range extender met PEM-
In dit onderzoek komt naar voren dat er verschillende hybride aandrijvingen op
brandstofcel (polymeer elektrolyt membraan) zijn die dit ideaal het dichtst benadert.
de markt komen, en dat de waterstof-REV en de batterij-aangedreven voertuigen op de langere termijn de markt zullen domineren. De waterstof-hybride
Marktanalyse
aandrijflijn kent veel overeenkomsten met de seriehybride aandrijflijn zoals die
De BCG-matrix maakt inzichtelijk in welke fase van ontwikkeling een product (hier:
nu op de markt is. De hoofdcomponenten bij een batterij-aangedreven voertuig
een technologie) zich bevindt, afgemeten aan marktaandeel en marktgroei.
zijn de lader die de batterij oplaadt, de converter die de elektrische energie in de juist vorm omzet, de motorcontroller die de juiste hoeveelheid elektrische
Bij de batterijtechnologie komt naar voren dat er in Nederland veel aandacht is
energie overbrengt op de elektromotor, die op zijn beurt de wielen aandrijft. De
voor onderzoek op het vlak van techniek en toepassing, onder andere voor de
seriehybride aandrijflijn herbergt alle onderdelen van de batterij-aandrijving, plus
ontwikkeling van een batterijmanagementsysteem. Tevens zijn er kansen voor
(om het bereik van de auto te vergroten) een benzinetank en een range extender,
Nederlandse bedrijven op het gebied van recycling en second life-toepassingen.
die bestaat uit een verbrandingsmotor en een generator. De generator wekt de elektrische energie op voor het opladen van de batterij.
De elektromotortechnologie, daarentegen, is een technologie die in het Nederlandse bedrijfsleven nog tot relatief weinig initiatieven heeft geleid.
Ontwikkelingen in de elektrische aandrijflijn
Wél wordt voor de langere termijn ingezet op de fabricage van in-wheel-
Na het bepalen van de hoofdcomponenten zijn de technologische ontwikkelingen
elektromotoren voor verschillende segmenten.
onderzocht die deze componenten kunnen ondergaan. Gebleken is dat vooral de ontwikkelingen rond de batterij, de elektromotor en de generator in combinatie
De range extender, ten slotte, wordt volop tot ontwikkeling gebracht door
met de verbrandingsmotor van groot belang zijn in de transitie naar elektrisch
diverse bedrijven in Nederland. Daarnaast biedt de brandstofcel kansen voor het
rijden.
Nederlandse bedrijfsleven, mede door de aanwezigheid van Nedstack.
De batterij zal in de toekomst lithium als basis hebben, waarbij op de langere
Alle in het onderzoek gevonden bedrijven richten zich op technologieën die op
termijn waarschijnlijk lithium-lucht- of lithium-zwavelbatterijen zullen worden
de lange termijn mogelijk winstgevend zullen blijken. Dit zijn de zogenaamde
ontwikkeld die voldoende capaciteit hebben om de auto het gewenste bereik te
Question Marks in de BCG-matrix: het is nog niet zeker of zij de komende
geven. Daarnaast zal de batterij lichter worden en beter worden aangepast aan
decennia een substantieel marktaandeel zullen kunnen verkrijgen.
gebruik in de auto. Kansen voor het Nederlandse bedrijfsleven in de elektrische aandrijflijn Ook de elektromotor zal meer worden toegespitst op gebruik in de auto en
De transitie naar elektrisch rijden biedt kansen voor het Nederlandse bedrijfsleven
compacter en eenvoudiger worden. De motor zal verder voldoende vermogen
omdat de elektrificatie van de aandrijflijn nieuwe hoofdcomponenten vereist.
moeten kunnen leveren om hoge snelheden mogelijk te maken. Op de
Nederlandse bedrijven zouden hiervoor hoogwaardige technologieën kunnen
middellange termijn zullen daarom wisselstroomelektromotoren met permanente
leveren die moeilijk te kopiëren zijn. De Nederlandse kenniseconomie ontwikkelt
magneten worden gebruikt. Op de langere termijn zullen de elektromotoren
immers vooral technologieën voor de lange termijn.
wellicht in de wielen worden ingebouwd, waardoor elders in de auto ruimte overblijft voor andere onderdelen.
Binnen de reikwijdte van dit onderzoek is er in Nederland vooral veel aandacht voor de batterijtechnologie en de range extender. Een enkel bedrijf investeert in de elektromotor.
46
Batterij(d)en 2
Batterij(d)en 2
47
Maar ook daarbuiten zijn er kansen voor het Nederlandse bedrijfsleven,
Bijlagen
bijvoorbeeld op het gebied van het testen en certificeren van de verschillende technologieën. Tevens bieden integratie en samenspel van technologieën nog veel ruimte voor verbeteringen, en dus ook kansen voor Nederlandse bedrijven. Tot slot vragen allerlei andere onderdelen van de auto – zoals ABS, airbags en ESP – om aanpassing aan de elektrische aandrijflijn. Voor dit alles is kennis vereist die fundamenteel anders is dan de huidige kennis. Gevolgen voor het onderwijs Om de toekomstige werknemers in de automotive-sector van de juiste kennis te kunnen voorzien, zijn aanpassingen nodig in het onderwijs, op mbo-, hbo- en universitair niveau. Op de verschillende niveaus binnen het onderwijs groeit de aandacht voor elektrische aandrijftechnologieën, en deze ontwikkeling zal zich de komende jaren doorzetten. In het mbo is er ook meer aandacht voor micro- en vermogenselektronica. In het hbo ligt het accent op ontwerp, engineering en bijbehorend productiemanagement; daarnaast worden elektrische aandrijftechnologieën steeds meer gekoppeld aan mobiliteitsoplossingen. In het wetenschappelijk onderwijs zal het onderzoek zich steeds meer richten op kennis die nodig is om bestaande technieken te verbeteren.
48
Batterij(d)en 2
Batterij(d)en 2
49
Bijlage 1
Ontwikkelingen in de batterijtechnologie Tot nu toe is een van de grootste barrières voor grootschalig gebruik van batterijaangedreven voertuigen de batterij zelf. Hier zijn dus nog volop ontwikkelingen te verwachten. Op dit moment is er een voorkeur voor de lithium-ionbatterij vanwege de hoge energiedichtheid, zowel volumetrisch als gravimetrisch (figuur 6 in 3.1.1). De verwachting is dat deze technologie de komende jaren dominant zal blijven (Gerssens-Gondelach et al., 2012). De lithium-ionbatterij bestaat grofweg uit anode, kathode en elektrolyt (figuur 7 in 3.1.1). Als de batterij gebruikt wordt, wordt vanuit de negatieve pool lithium onttrokken, dat door het elektrolyt naar de positieve kathode gaat. De elektronen gaan via een omweg, waaraan een apparaat kan worden aangesloten. Met deze
Figuur B1.1: De lithium-ionbatterij en het bereik van het voertuig (Bruce et al., 2012). Blauw geeft de huidige batterijtechnologie aan, oranje de technologie van de nabij toekomst en rood de langetermijnontwikkeling in Li-batterijtechnologie.
elektronenstroom kan, bijvoorbeeld, een onderdeel in beweging worden gezet. Anode
Elektrolyt
Voor de anode wordt momenteel voornamelijk grafiet gebruikt. Op de
Het elektrolyt bestaat momenteel uit een lithiumzout (bijvoorbeeld LiPF6 ) in
middellange termijn zal dit mogelijk vervangen worden door lithium-silicium (Li-Si)
een gemengde organische oplossing (bijvoorbeeld ethyleencarbonaat/dimethyl-
en lithium-tin (Li-Sn) (Scrosati et al., 2010). Verder wordt in huidige onderzoeken
carbonaat. Waar naar gezocht wordt zijn oplossingen zonder lithium die wel
gekeken naar titaniumoxides, zoals een minerale vorm (anataas) en lithium-
geleidende membranen bevatten. Kandidaten hiervoor zijn homopolymeren
titaniumoxide ( Li4Ti5O12).
zoals polyethyleenoxide met lithiumzout als lithium-trifluoro-methaansulfonaat (LiCF3SO3). Ook zijn doorbraken te verwachten in het gebruik van elektrolyten
Kathode
gebaseerd op ionische vloeistoffen (Scrosati et al., 2012).
De kathode is momenteel gemaakt van lithium-metaaloxide (LiMO2, bijvoorbeeld LiCoO2) (Fergus, 2010). Dit wordt mogelijk vervangen door op mangaan gebaseerde verbindingen en olivijn-lithium-metaalfosfaten (Scrosati et al., 2010). Voorbeelden hiervan zijn lithium-manganese spinel (LiMn2O4), nikkelkobalt- mangaanoxide (LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2) en lithium-nikkel-mangaanoxides (LiNi0.5Mn1.5O4). In de olivijn-familie is er vooral aandacht voor lithium-ijzerfosfaat (LiFePO4). Deze ontwikkelingen zijn al ver gevorderd; de verwachting is dat deze technologieën binnenkort op de markt zullen verschijnen (Neumann, 2011). Op de langere termijn kunnen lithium-lucht en lithium-zwavel een belangrijke rol gaan spelen. Met deze technologieën kan de elektrische auto mogelijk een bereik verkrijgen dat vergelijkbaar is met dat van de huidige auto met verbrandingsmotor, namelijk van rond de 550 kilometer (Bruce et al., 2012 – figuur B1.1). Hierbij neemt de energiedichtheid toe van ongeveer 150 Wh/kg naar ongeveer 900 Wh/ kg bij lithium-luchtbatterijen. 50
Batterij(d)en 2
Batterij(d)en 2
51
Bijlage 2
Ontwikkelingen in de elektromotortechnologie Hoewel elektromotoren al in massaproductie worden vervaardigd, zijn er nieuwe versies nodig voor gebruik in personenvoertuigen. Deze moeten zwaardere objecten kunnen verplaatsten en efficiënter zijn. Verder dienen ze hogere vermogens te kunnen leveren, en dit over een breder spectrum van snelheden (Valentine-Urbschat et al., 2009). In de zoektocht naar de geschikte elektromotor dienen autofabrikanten een keuze te maken: wisselstroom (AC) of gelijkstroom (DC) (figuur B2.1). Gelijkstroom De gelijkstroomelektromotor heeft als voordelen: lage kosten, betrouwbaarheid en controleerbaarheid. Nadelen zijn dat deze motor veel onderhoud vergt en
Figuur B2.1: Status van de verschillende elektromotoren (Valentine-Urbschat et al., 2009).
dat hij bij intensief gebruik een korte levensduur heeft (Boekesteyn, 2009). Verder heeft deze motor een laag specifiek vermogen en een lage efficiëntie. Al met al is de gelijkstroomelektromotor hierdoor onaantrekkelijk voor autofabrikanten en wordt er dus nauwelijks in deze technologie geïnvesteerd. Toekomstperspectieven lijken er alleen te zijn voor een innovatieve borstelloze gelijkstroomelektromotor. Wisselstroom Veel meer belangstelling is er voor de wisselstroomelektromotor. In deze categorie zijn de inductiemotor en de wisselstroommotor met permanente magneten de meest gebruikte motoren in de automobielindustrie. Verder wordt er geïnvesteerd in een aantal andere wisselstroomelektromotoren, zoals de switched reluctance motor (SRM) en de transverse flux motor (TFM). De SRM heeft relatief lage productiekosten als gevolg van de simpele structuur en het feit dat er geen magneten worden gebruikt. Nadelen zijn de geluidsproductie en fluctuaties in het koppel. De TFM kent dezelfde problemen als de SRM, maar heeft wel een hoger specifiek vermogen en een hogere efficiency. Nadelen zij hier het complexe ontwerp en de daarmee samenhangende hoge productiekosten.
52
Batterij(d)en 2
Batterij(d)en 2
53
Bijlage 3
Eigenschappen van verschillende typen range extenders
Al deze motoren zijn getest op efficiëntie en emissie: -- De Wankelmotor blijkt het best tot zijn recht te komen in de stad. Door de compactheid, het lage gewicht en de geringe productie van geluid en trillingen is deze range extender-technologie ideaal voor stadsgebruik. Vanwege de kortere
Door het toevoegen van een range extender aan de huidige batterij-aangedreven auto wordt het bereik aanzienlijk vergroot, zodat dit vergelijkbaar wordt met dat van een voertuig dat op benzine of diesel rijdt. De range extender kan
afstanden kan meestal worden volstaan met rijden op de batterij, waardoor de lagere efficiëntie van de motor minder zwaar weegt. -- De zuigermotor is efficiënter, maar ook groter en daardoor minder gemakkelijk in
gezien worden als een tussenstation op de weg naar de volledig door batterijen
te passen. Dit motor is meer geschikt voor gebruik op middellange afstanden. Op
aangedreven auto of de auto op waterstof (Offer et al., 2010).
deze trajecten zal de range extender namelijk vaker worden ingezet, waardoor de efficiëntie belangrijk wordt. Tegelijkertijd zal het hier meestal gaan om wat grotere
De huidige range extender heeft een verbrandingsmotor die verbonden is met
auto’s, waardoor er letterlijk meer ruimte is voor deze technologie.
een generator. De motor is niet rechtstreeks op de wielen aangesloten en kan
-- De microturbine krijgt minder aandacht in de literatuur, al wordt wel vermeld dat
daardoor anders worden vormgegeven dan een traditionele motor. Aangezien
deze technologie behoorlijk inefficiënt is (Ribau et al., 2012; Varnhagen et al.,
men verwacht dat een elektrische auto zich vrijwel geruisloos door het verkeer
2011).
begeeft, is het gewenst dat de range extender aan deze verwachting kan voldoen. Verder dient de range extender onder andere eenvoudig, efficiënt en kosteneffectief produceerbaar te zijn. Bij de keuze voor het toe te passen type motor zijn er voor de fabrikanten twee benaderingen mogelijk: de ene benadering concentreert zich op het maximaliseren van efficiëntie en het minimaliseren van uitstoot; de andere richt zich op het compacter en simpeler maken van de range extender, waarbij een hogere emissie en een relagere efficiëntie min of meer voor lief moeten worden genomen (Ribau et al., 2012). Uit de literatuur komt naar voren dat er hier op de middellange termijn vooral kansen liggen voor de Wankelmotor, de zuigermotor en de microturbine (Ribau et al., 2012; Varnhagen et al., 2011). Elk van deze technologieën heeft eigen voor- en nadelen: -- De Wankelmotor biedt een relatief hoge vermogen-gewichtratio, is lichter, is gemakkelijker in de auto onder te brengen en produceert minder geluid en trillingen dan de zuigermotor. Een groot nadeel is echter dat deze relatief inefficiënt is in het verbrandingsproces. -- De zuigermotor, daarentegen, is vooral efficiënt in het verbranden van fossiele brandstoffen, maar is moeilijker in de auto in te passen. -- De microturbine heeft het voordeel zeer compact te zijn, zodat er meer ruimte overblijft voor andere onderdelen. Nadeel is echter dat deze techniek een hoge investering vereist en een lage efficiëntie kent.
54
Batterij(d)en 2
Batterij(d)en 2
55
Bijlage 4
Ontwikkelingen in de brandstofceltechnologie Enkele soorten brandstofcellen zijn: SOFC (solide oxide fuel cell), DMFC (direct methanol fuel cell) en PEMFC (polymer electrolye membrane fuel cell) (Sopian et al., 2006). De meeste autofabrikanten richten zich momenteel op de PEMFC vanwege de, in vergelijking met de andere varianten, hoge vermogensdichtheid en uitstekende dynamische eigenschappen (Wang et al., 2011). De PEMFC bestaat grofweg uit drie delen: anode, kathode en membraan (figuur B4.1). Het membraan laat van de ingebrachte waterstof (H2) alleen H+ door, waardoor de elektronen via een omweg worden geleid. Nadat de elektronen een apparaat hebben kunnen aansturen, komen H+ en elektronen weer bij elkaar, en vormen samen met zuurstof (O2) uit de buitenlucht water (H2O). De enige producten zijn dus water en lucht. Voordeel van deze technologie is dat er geen bewegende onderdelen nodig zijn. Daarmee is deze technologie, in vergelijking met de verbrandingsmotor, betrouwbaarder, geluidsarmer en goedkoper in onderhoud; bovendien is er een langere levensduur (Sopian et al., 2006). Om echt competitief te kunnen zijn met de verbrandingsmotor zal de PEMFC-
Figuur B4.1: De werking van een PEM-brandstofcel (Wang et al., 2011).
technologie echter nog goedkoper en efficiënter moeten worden (Zhang et al., 2012). In dit verband richten de ontwikkelingen zich op de volgende aspecten: -- Het membraan kan goedkoper worden wanneer gebruik wordt gemaakt van een ander soort elektrolyt: hierbij kan onder andere worden gedacht aan het ontwikkelen van een elektrolyt waarbij geen hydratatie nodig is. -- Momenteel wordt voor de katalysatoren platinum gebruikt (Sopian et al., 2006). Verbeteringen zijn hier mogelijk door een ander (niet)-edelmetaal toe te passen (Wang et al., 2011). -- Er zijn vernieuwingen mogelijk rond de verschillende kanalen voor het transport van de gassen, zoals waterstof en zuurstof. Brandstofcellen gedragen zich anders wanneer ze in serie- of parallel zijn geplaatst. Bij de samenvoeging van cellen wordt, door de interactie tussen de cellen, het water- en warmtemanagement complexer. Er ontstaan allerlei subsystemen, die nog geoptimaliseerd kunnen worden, zoals stacksysteem, brandstofverwerking, vermogen- en elektriciteitssysteem en thermisch managementsysteem (Wang et al., 2011). Ook ontbreekt het momenteel nog aan modellen die het samenspel van de verschillende elementen inzichtelijk maken (Sopian et al., 2006). 56
Batterij(d)en 2
Batterij(d)en 2
57
Alternatieve analysemodellen Voor de marktanalyse is in dit onderzoek gebruikgemaakt van de BCG-matrix (Boston Consulting Group) in een aangepaste vorm. Andere analysemodellen zijn hier minder geschikt: -- Het productlevenscyclusmodel maakt niet inzichtelijk of er marktgroei plaatsvindt
Probabillity of technical succes
Bijlage 5
Hoog Bread and butter (Poor investment)
Pearls (Risky investment)
White elephants (Status quo)
Oysters (Good investment)
Laag Laag
Hoog
en laat ook niet zien wat het aandeel is van de huidige technologieën in de markt. -- De Ansoff-matrix is eigenlijk een marketingmodel en geen productportfolio-
Reward
analysetool, en hier dus niet bruikbaar omdat de opvolging van verschillende technologieën in dezelfde markt niet inzichtelijk te maken is.
Figuur B5.2: De risicobenaderingsmatrix (Oh et al., 2012).
-- De McKinsey/GE-multifactormatrix (figuur B5.1) doet hier onvoldoende recht aan de ontwikkeling van de technologieën. Verder is de aantrekkelijkheid van de industrie hier in feite altijd hoog, aangezien het gaat om een markt van miljoenen personenvoertuigen. Ook de business strength is hier in feite altijd hoog, omdat het gaat om technologieën van hoge kwaliteit die moeilijk te imiteren zijn. -- De Risk-rewardmatrix (figuur B5.2) heeft als nadeel dat de verticale as niet goed bruikbaar is: in de analyse van de mogelijke ontwikkelingen blijkt namelijk dat verschillende bedrijven hier al successen boeken, waardoor te stellen is dat de kans dat een technologie succesvol wordt groot is. Verder is de horizontale as, waarop de beloning is weergegeven, te beperkt: de definitie van ‘hoog’ en ‘laag’ is onbekend, en bovendien is de beloning bij succes hier vrijwel altijd hoog,
Business Strength
aangezien het in de automarkt om grote getallen gaat.
Hoog
Selectivity
Selective growth
Investment and growth
Gemiddeld
Harvest/Divest
Selectivity
Selective growth
Laag
Harvest/Divest
Harvest/Divest
Selectivity
Zwak
Gemiddeld
Sterk
Industry Attractiveness
Figuur B5.1: De McKinsey/GE-multifactormatrix (Oh et al., 2012).
58
Batterij(d)en 2
Batterij(d)en 2
59
Bronnen
Boomsma, K. (2012) Peperdure benzine bezorgt inbouwers lpg-tanks overwerk. Metro 3
Experts
Functie / expertise
Jaco Reijerkerk
Business Developer brandstoffen, Linde Gas
Anton Wolthuis
Innovatiemanager Automotive, Automotive NL (vh HTAS)
Brouw, P. op den (2012)
Ruud Hunik
Batterijen en energieopslag, IWO
Lithium-ion batterijtechnologie voor elektrische auto’s in Japan
Bram Veenhuizen
Lector Voertuigmechatronica, HAN
Agentschap NL Bruce, P.G., Freunberger, S.A., Hardwick, L.J., Tarascon, J-M. (2012)
Akerboom, S., Buits, G., Huygen, A., Ottow, A. (2011)
Li-O2 and Li-S batteries with high energy storage
Smart grid pilots.
Nature Materials 11, pp. 19-29
Agentschap NL Campanari, S., Manzolini, G., Iglesia, F.G. de la (2009) ANWB.nl (1 februari 2012)
Energy analysis of electric vehicles using batteries or fuel cells through well-to-
Suzuki Swift met range extender
wheel driving cycle simulations Journal of Power Sources 186, pp. 464-477
ANWB.nl (6 juli 2012) Audi A1 e-tron
Chacko, S., Chung, Y.M. (2012) Thermal modeling of li-ion polymer battery for electric vehicle drive cycles
Automotive NL (2011)
Journal of Power Sources 213, pp. 296-303
Business plan Derkinderen, F.G.J., Crum, R.L. (1984) Baines, P., Fill, C., Page, K. (2010)
Pitfalls in using portfolio techniques – assessing risk and potential
Marketing
Long range planning 2, pp. 129-136
Oxford University Press - New York, 2010 Dinger, A., Martin, R., Mosquet, X., Rabl, M., Rizoulis, D. (2010) Boekesteyn, A. (2009)
Batteries for electric cars
Plug-in hybrids report
Boston Consulting Group (BCG)
Supplier Business Eindhovens Dagblad, 8 mei 2012 Bont, C. de (ed.) (2011)
Bijlage Bits en Bumpers
Verkenning elektrisch rijden D-Incert
E-mobility persbericht 27 februari 2012 EEMC toegangspoort voor internationale toeleveranciers en fabrikanten
Book, M., Groll, M., Mosquet, X., Rizoulis, D., Sticher, G. (2009)
elektrische auto’s
The Comeback of the electric car? How real, how soon, and what must happen next
ENVIA systems - persbericht 27 februari 2012
Boston Consulting Group (BCG)
ENVIA systems achieves world record energy density for rechargeable lithium-ion batteries
60
Batterij(d)en 2
Batterij(d)en 2
61
ERTRAC (2011)
Klostermann, A. (2011)
European Roadmap: Hybridisation of Road Transport
Future of Automotive Powertrains Automotive Technology Centre, Helmond
FHA Federatie Holland Automotive (2010) Vision for the Dutch automotive sector 2010-2020: From Vehicles to mobility:
Knight, M., Can motors in wheels spark electric car revolution?
driving for value
CNN.nl, 12 december 2011.
Feick, K. (2012)
Leadbetter, J., Swan, L.K. (2012)
Hybrid and Electric Vehicles to Rev European Electric Motor Market
Selection of battery technology to support grid-integrated renewable electricity.
www.frost.com
Journal of Power Sources 216, pp.376-386.
Fergus, J.W. (2010)
Legrand Nederland BV ism TU Delft (2011)
Recent developments in cathode materials for lithium ion batteries
Rapport: Elektrisch rijden en de invloed voor uw organisatie
Journal of Power Sources 195, pp. 939-954 Maatman, D. (2009) Gerssen-Gondelach, S.J., Faaij, A.P.C. (2012)
Batterij(d)en – op weg naar elektrische mobiliteit in Nederland
Performance of batteries for electric vehicles on short and longer term
Hiteq-publicatie , Hiteq, Hilversum
Journal of Power Sources. 212, pp. 111-129 McKinsey consultancy (2009) Goessens, S. (2012)
A portfolio of power-trains for Europe: a fact-based analysis
Elektrisch rijden in Nederland – aandrijflijnen voor de Nederlandse industrie Bachelor thesis VU
Meyer, G. (2009) Milestones of a European Battery Roadmap
Groeneveld, M.J., (2008) – red.
ERTRAC workshop
De technische arbeidsmarkt en het technisch beroepsonderwijs in 2020 Hiteq-publicatie , Hiteq, Hilversum
Nevada Department of Motor Vehicles (2012) Nevada DMV Issues First Autonomous Vehicle Testing License to Google,
Henderson, R.M., Clark, K.B. (1990)
Press release May 7, 2012.
Architectural Innovation: The Reconfiguration of Existing Product Technologies and the Failure of Established Firms.
Notten, P. (2010)
Administrative Science Quarterly 35, pp. 9-30.
Verkenning elektrisch rijden. D-INCERT
HTAS (2009) Electric Vehicle Technology
Offer, G.J., Contestabile, M., Howey, D.A., Clague, R., Brandon, N.P. (2010) Techno-economic and behavioral analysis of battery electric, hydrogen fuel cell
Keuning, D., Eppink, D.J. (2008)
and hybrid vehicles in a future sustainable road transport system in the UK
Management & Organisatie.
Energy Policy 39, pp. 1939-1950
Wolters-Noordhoff Press, 2008. 62
Batterij(d)en 2
Batterij(d)en 2
63
Oh, J., Yang, J., Lee, S. (2012)
Sovacool, B.K., Hirsch, R.F. (2009)
Managing uncertainty to improve decision-making in NPD portfolio management
Beyond batteries: An examination of the benefits and barriers to plug-in hybrid
with a fuzzy expert system.
electric vehicles and a vehicle-to-grid (V2G) transition
Expert Systems with Applications 10, pp. 9868-9885.
Energy Policy 37, pp. 1095-1103
Olsen, R.F., Ellram, L.M. (1997)
Vaghefi, M.R., Huellmantel, A.B. (1998)
A portfolio approach to supplier relationships
Strategic Leadership at General Electric
Industrial Marketing Management 26, pp. 101-113.
Long range planning 2, pp. 280-294.
Peperzeel van, J. (2012)
Valentine-Urbschat, M., Bernhart, W. (2009)
Power Batteries: Veiligheid en demontage
Powertrain 2020 – The future drives electric
Rapport Dutch Polymer Institute
Rapport: Roland Berger Strategy Consultants
Pollet, B.G., Staffell, I., Shang, J.L. (2012)
Varnhagen, S., Same, A., Remillard, J., Park, J.W. (2011)
Current status of hybrid, battery and fuel cell electric vehicles: From
A numerical investigation on the efficiency of range extending systems using
electrochemistry to market prospects
Advanced Vehicle Simulator
Electrochimica Acta 84, pp. 235-249
Journal of Power Sources 196, pp. 3360-3370
Ribau, J., Silva, C., Brito, F.P., Martins, J. (2012)
Vliet, O.P.R. van, Kruithof, T., Turkenburg, W.C. (2010)
Analysis of four-stroke, Wankel and microturbine based range extenders for
Techno-economic comparison of series hybrid, plug-in hybrid, fuel cell and regular
electric vehicles
cars
Energy Conversion and Management 58, pp. 120-133
Journal of Power Sources 195, pp. 6570-6585
Robbie (2011)
Vroe, D. de, Molenburg, W. (2010)
Blog: Fisker Karma net niet zuinig genoeg voor 0% bijtelling
Impact van elektrisch rijden op de Nederlandse industrie.
www.autoblog.nl
Rapport SquareWise - augustus-oktober 2010
Roode, M. de (2012)
Wang, Y., Chen, K.S., Mishler, J., Cho, S.C., Adroher, X.C. (2011)
Neemt de milieuvriendelijke auto de weg over?
A review of polymer electrolyte membrane fuel cells: Technology, applications,
www.scientias.nl (25 maart 2012)
and needs on fundamental research Applied Energy 88, pp. 981-1007
Scrosati, B., Garche, J. (2010) Lithium batteries: Status, prospects and future
Williams, M. (2012)
Journal of Power Sources 195, pp. 2419-2430
Electric Trucks may shift EV Perceptions www.news.pickuptrucks.com
Sopian, K., Daud, W.R.W. (2006) Challenges and future developments in proton exchange membrane fuel cells.
Zapata, C., Nieuwenhuis, P. (2010)
Renewable Energy 31, pp. 719-727
Exploring innovation in the automotive industry: new technologies for cleaner cars Journal of Cleaner Production 18, pp. 14-20
64
Batterij(d)en 2
Batterij(d)en 2
65
Zhang, H., Shen, P.K. (2012)
Hiteq-publicaties
Advances in the high performance of polymer electrolyte membranes for fuel cells Chem. Soc. Rev. 41, pp. 2382-2394
Hiteq heeft de volgende publicaties uitgebracht: -- Generaties en generatieleren in organisaties -- De digitale wereld, een nieuwe kijk op leren? -- Regionale samenwerking, nu en in 2020 -- ‘Geld speelt geen rol’ -- Innovatiediffusie en afvalverwerking -- Kernenergie -- De technische arbeidsmarkt en het technisch beroepsonderwijs in 2020 -- Op weg naar een duurzame transportbrandstof -- Groene kolen -- Nanotechnologie onder de loep -- Kenmerkend vmbo -- Jong & houdbaar -- Een beroep op energie -- Flexibilitijden -- Kompas of GPS? -- De wereld als spiegel -- Uitgesloten! -- Permanent competent -- Eten of gegeten worden? -- Kenmerkend mbo -- Ouders@mbo -- Werken in de Wereld -- Batterij(d)en -- Composieties -- Een leven lang leren in de techniek -- Kenmerkend havo en vwo -- Ouders@havo/vwo -- Groene welvaart? -- Kenmerkend vmbo, mbo, havo en vwo -- Typical secondary school students -- Cradle to Cradle als inspiratiebron -- Techniek in de genen De actuele titellijst van Hiteq-publicaties treft u aan op www.hiteq.org. U kunt ze daar ook bestellen.
66
Batterij(d)en 2
Batterij(d)en 2
67
Colofon Opdrachtgever Hiteq, expertisecentrum voor technisch vakmanschap in de toekomst Programmaleider Technologie Ir. Daan Maatman Redactie Bert Herben, Amsterdam Organisatie en productie Hiteq, Max Hoogenraad-Veeren Ontwerp Sjoukje Ziel grafisch ontwerp helder ! ontwerpgroep, Amersfoort Illustraties cliffhanger visuals, Rotterdam Seger van Wijk Uitgave © 2012 Hiteq, Hilversum Hiteq is een initiatief van
In deze publicatie zijn illustraties opgenomen. Over de plaatsing van de meeste illustraties hebben we contact gehad met de maker en de bron vermeld. Mocht iemand menen rechten te ontlenen aan een van de illustraties waarvan we de maker niet hebben achterhaald, dan verzoeken wij contact op te nemen met Hiteq. Deze uitgave mag worden verveelvoudigd en/of openbaar gemaakt na schriftelijke toestemming van de uitgever via
[email protected].
68
Batterij(d)en 2
