Elektrische auto’s gaan vooruit!

De range wordt groter en goedkoper, en er ontwikkelt zich een techniek die in de toekomst misschien gaat leiden tot kortere oplaadtijden.

De actieradius van accu’s
De range van elektrische auto’s wordt op een economische manier steeds beter. In de gratis digitale nieuwsbrief Duurzaam Bedrijfsleven (die ik aan iedereen aanbeveel) stond op 07 oktober 2016, als nasleep van de Paris Motor Show, een artikel van de hand van Hidde Middelweerd “De infographic die je accu-angst wegneemt” (zie http://www.duurzaambedrijfsleven.nl/mobiliteit/18141/infographic-die-je-accu-angst-wegneemt ).
Daarin het volgende plaatje:

Bereik van de huidige Tesla en toekomstige andere types elektrische auto's in km per €1000 aanschafkosten
Bereik van de huidige Tesla en toekomstige andere types elektrische auto’s in km per €1000 aanschafkosten

Het geeft de actieradius weer van huidige en toekomstige elektrische auto’s in km per €1000 aanschafprijs. De Tesla Model S bestaat nu (en is heel duur), maar de andere vier zijn toekomstig en beloven dus op economischer wijze een goede actieradius.

Supercondensatoren
De nieuwste trend is dat elektrische auto’s straks misschien (ik moet het eerst zelf nog zien) überhaupt geen accu’s meer hebben, maar supercondensatoren. Dat is een gebied dat snel in opkomst is.

Leidse fles in Museum Boerhave
Leidse fles in Museum Boerhave

Condensatoren bestaan al sinds de Leidse fles uit 1746. In 1752 ving Benjamin Franklin er voor het eerst de energie uit de bliksem in op.
De op- en ontlaadtijd van condensatoren kan men instellen met een aanhangend elektronisch circuit en kan klein zijn. In stroomvretende toepassingen als een elektrische auto zijn ze in no time leeg.
Het voordeel van een condensator is dat er geen trage chemische reacties in plaats hoeven vinden. Ladingen worden alleen maar verplaatst en dat gaat veel sneller.

De zoektocht naar condensatoren, die een forse hoeveelheid energie konden opslaan en die over bruikbare tijden weer konden afgeven, besloeg vele etapppes. Daarbij werden de prestaties steeds beter.

family tree of supercapacitor types
family tree of supercapacitor types

De afbeelding komt uit een goed Wikipedia-artikel https://en.wikipedia.org/wiki/Supercapacitor . Daarin ook een plaatje van een tussenvorm die als station inmiddels gepasseerd is, maar wel een goed idee geeft van de werking. Het idee maakt inmiddels deel uit van een ingewikkelder hybride constructie.

Werking van een dubbellaag-supercondensator
Werking van een dubbellaag-supercondensator

Het is een double layer-supercondensator (in de family tree het paarse hokje).

De capaciteit van een condensator wordt groter als de oppervlakte groter wordt en de tussenlaag tussen de + en de – kleiner (in het rechtse plaatje de twee pijltjes-lagen waar de rode pijlen naar toe wijzen. Een van de belangrijkste jachtterreinen is om manieren te vinden om de oppervlakte steeds groter te maken zonder dat volume en gewicht toenemen. Daarvoor zijn er poreuze materialen ontwikkeld, gedrenkt in een oplossing van ionen in water, met als een van de eerste actieve koolstof (denk aan het bekende Norit-tabletje dat een interne oppervlakte heeft ongeveer 1000m2/gram).
In deze lopende traditie zette de UCLA (Univ, California Los Angeles) de volgende stap door als materiaal de nieuwe stof grafeen te kiezen (overigens familie van de Norit). Dat bleek zelfs met relatief eenvoudige middelen te kunnen. Zie http://newsroom.ucla.edu/releases/ucla-scientists-create-quick-charging-hybrid-supercapacitors .

Kleine nieuwe hybride supercondensator, door UCLA ontwikkeld
Kleine nieuwe hybride supercondensator, door UCLA ontwikkeld

De eerste naam in de rij auteurs is die van El-Kady, die gestudeerd heeft aan de Universiteit van Cairo en nu postdoc is op UCLA.
De condensator kan in beginsel in seconden worden opgeladen en gaat minstens vele duizenden oplaadcycli mee.
Het nieuwe ontwerp hoort in de ‘family tree’ thuis in of naast de groene hokjes onderaan, ik denk het linkse.

El-Kady
El-Kady

Het in Estland gevestigde bedrijf Skeleton Technologies (mooie naam voor een high tech-bedrijf….) heeft het grafeen-idee vervolgens opgepikt en doorontwikkeld tot concept waarop elektrische auto’s kunnen rijden. Naar eigen zeggen halen hun condensatorpakketten in de maximum configuratie 4500F en 350V, wat ze een energie zou geven van 276MJ (77kWh) (ter vergelijking: een Tesla Model S heeft een accu van 60kWh).

Ook de van oorsprong Deense ontwerper Fisker, nu in de VS, wil de grafeen condensator gebruiken als basis voor een nieuwe elektrische auto. Eerdere pogingen faalden op brandende accu’s en de orkaan Sandy. Zie http://www.duurzaambedrijfsleven.nl/mobiliteit/18407/fisker-maakt-comeback-met-elektrische-auto-en-superbatterij .

Wetenschap en techniek zijn internationaal!

De oplaadtijd en toch heb ik reserves bij het Skeleton pakket

Business insider geeft indicatief de volgende tabel (zie https://www.businessinsider.nl/elektrisch-opladen-een-praktische-gids-430607/ )

Capaciteit 230V 400V Laadtijd (20kWh) 1-fase Laadtijd (20kWh) 3-fase
13A 3,0kW 9,0kW 6 3/4 uur 2 1/4 uur
16A 3,7kW 11,0kW 5 3/4 uur 1 3/4 uur
20A 4,6kW 13,8kW 4 1/2 uur 1 3/4 uur
32A 7,4kW 22,0kW 2 3/4 uur 1 uur
63A 14,5kW 43,5kW 1 1/2 uur 3/4 uur

Het laden gaat in het begin verreweg het snelst. Na ongeveer de helft van de laadtijd is de accu al voor 80 procent vol. De batterij kan ook tussentijds opgeladen worden. Het loont dus om elke keer dat je de auto parkeert, de accu op te laden.

Het laden met Chademo-aansluitingen gaat aanzienlijk sneller. Deze opladers laden op gelijkstroom met maximaal 20 kW of 50 kW. Daarmee is je accu in een half uur weer helemaal vol.

Neem je het grofste geschut  (50kW en 400V), dan is de stroomsterkte 125A ( = 0,125kA), welke gedurende grofweg een half uur geleverd wordt.

Snellaadpaal van de ANWB
Snellaadpaal van de ANWB

Neem je de maximum configuratie van Skeleton Technologies, dan zit er bij 4500F en 350Volt 1,6 miljoen Coulomb lading in het pakket. Als dat er (bijvoorbeeld) inderdaad in enkele seconden ingestopt zou worden, geeft dat absurd hoge stroomsterktes. Stel bijvoorbeeld 4 sec, dan vraagt dat zowat 400000A, 400kA.
(Ter vergelijking: bliksems zijn 0,1 tot 60kA (en duren als regel enkele tiende seconde). Daarop is de gangbare bliksemafleider gedimensioneerd.)
(Ter vergelijking: Een supergeleidende spoel bij de CERN kwam tot 21kA.)

Met andere woorden, ik zie niet meteen hoe het voordeel van een oplaadtijd van seconden langs de snelweg in de reëel bestaande infra-
structuur gerealiseerd kan worden. In theorie kun je natuurlijk een hele grote supercondensator in een huisje langs de snelweg zetten, en die met héle dikke koperdraden verbinden met de stekkerdoos langs de weg, maar pas als dit duizenden keren gerealiseerd is, ligt er een netwerk waar je op kunt bouwen.
Zelfs als men 4 minuten als laadtijd ook nog wel aanvaardbaar vindt (waarom niet eigenlijk?), dan nog is de piekstroom 6,5kA.
Het wordt hetzelfde soort kip-of-ei-verhaal als bij rijden op waterstof.

Het probleem van de laadtijd ligt niet zozeer bij de auto als wel bij het netwerk. Misschien beginnen als een niche-techniek in een besloten omgeving als een busremise of een stedelijke distributiebedrijf met heel veel elektrische busjes?

Andere voordelen
Toch zijn er ook nu al tastbare voordelen.

De grafeen-condensator bestaat hoofdzakelijk uit niet-schaarse materialen als koolstof en MnO2 (bruinsteen), en er zijn geen heftige en energievretende processen nodig om ze te maken.
De grafeen-condensator heeft dus ook geen lithium nodig, een grondstof over de controle waarvan (volgens mensen die beweren dat ze het weten kunnen) een machtsstrijd tussen de financiele bovenbazen zou bestaan. Die willen allemaal de baas zijn over de lithiumvoorraden op aarde.

Verder kan een veel kleinere supercondensator, in aanvulling op een accu, zinvol zijn, bijvoorbeeld als je heel even een piekbelasting moet hebben voor een inhaalmanoeuvre. Je laadt het ding dan onderweg op, eventueel met bij het remmen teruggewonnen kinetische energie.
Een kleine supercondensator in mobiele telefoons en zo is natuurlijk een ander verhaal. Daar is het Ampère-piekje niet rampzalig.

Het is mooie techniek in ik zal proberen te volgen wat er gebeurt.

En nog een laatste observatie: 10 jaar geleden was grafeen nog een speeltje van een noncomformistische Rus met grafiet en plakband als voornaamste wapens. Hij won er de Nobelprijs mee voor fundamenteel onderzoek. Geen hond wist of je er ooit wat aan zou hebben.
Nu worden er condensatoren mee gemaakt voor elektrische auto’s.