Er wordt hard gewerkt om batterijen voor elektrische auto’s niet alleen veiliger en nog goedkoper te maken, maar ook milieuvriendelijker. Recyclage en hergebruik als thuisbatterij behoren tot de mogelijkheden.
De snelheid waarmee de elektrische auto de markt verovert, wordt beperkt door foute inschattingen van zijn capaciteit door potentiële kopers. Dat concludeert een studie in Nature Energy na een rondvraag bij een groot aantal geïnteresseerden. Ze onderschatten systematisch het rijbereik, waardoor ze alsnog kiezen voor een nieuwe diesel- of benzinewagen – een beslissing die funest is voor de strijd tegen de klimaatopwarming, want 18 procent van de globale uitstoot van CO2 komt op het conto van voertuigen die draaien op fossiele brandstoffen.
De keuze is ook absurd, want nu al is het bereik van de doorsnee elektrische wagen groot genoeg om meer dan 90 procent van de ritten te dekken – de meeste mensen rijden zelden lange afstanden. ‘Het is niet onlogisch dat er scepticisme is bij de invoering van een nieuwe technologie’, zegt expert elektrische voertuigen Joeri Van Mierlo (VUB), hoofdredacteur van het World Electric Vehicle Journal. ‘Maar er circuleert veel foute informatie. Tien jaar geleden was de actieradius van een elektrische wagen gemiddeld 100 tot 150 kilometer, nu is het 300 tot 500 kilometer. Als je genoeg batterijen in een wagen steekt, kan het uitzonderlijk zelfs naar 1000 kilometer gaan. Die ene keer per jaar dat je naar Zuid-Frankrijk wilt rijden, zul je het opladen wel wat moeten plannen. Met de huidige snelladers langs autowegen kan het in twintig minuten. Net lang genoeg om een koffietje te drinken.’
Als je alles in rekening brengt, is een elektrische wagen drie tot vier keer klimaatvriendelijker dan een brandstofwagen.
Er zijn geen harde bewijzen dat lobbyisten van de fossielebrandstofindustrie fake news over de capaciteit van elektrische wagens verspreiden om de transitie te vertragen, maar in de jaren 1990 hebben ze zeker ingegrepen. ‘De VUB heeft al meer dan veertig jaar een vloot elektrische auto’s’, stelt Van Mierlo. ‘In de jaren 1990 leek het er even op dat het concept zou boomen. Een autobedrijf als het Amerikaanse General Motors had zelfs een elektrische wagen klaar voor de markt. Maar onder druk van de oliesector en andere autoconstructeurs ging de hele productie in de shredder. Jarenlang bewoog er niets meer. Tot nu. Nu is de markt voor elektrische wagens eindelijk helemaal los.’
Opslagplaats van explosieven
Voor ingenieur Johan Driesen (KU Leuven/EnergyVille) verschuift het perceptieprobleem van het rijbereik naar onzekerheid over de laadinfrastructuur, zeker als je thuis niet over een eigen laadpaal kunt beschikken, zoals in de stad. Je bent dan afhankelijk van publieke laadpalen of investeringen door je werkgever. De plaatsing van laadpalen kan een stuk vlotter. In Nederland staan er al tien keer meer dan in België. Er rijzen ook problemen met ondergrondse parkeergarages die geen laadpalen willen, omdat er een risico bestaat op ontbrandende batterijen. Brandweermensen zijn daar ongerust over, want een brandende batterij blussen is niet zo makkelijk.
‘Ik begrijp dat ze op maximale veiligheid willen inzetten,’ zegt Driesen, ‘maar een parkeergarage vol brandstofwagens kun je ook als een opslagplaats van explosieven beschouwen. Statistisch gezien is de kans dat een elektrische auto in brand vliegt veel kleiner dan voor een gewone wagen, maar als het gebeurt wordt het wereldnieuws, terwijl een brandende lijnbus bij ons onlangs amper enkele regeltjes in de regionale pers kreeg. Zo werk je negatieve beeldvorming in de hand. Mensen veranderen niet graag hun gewoontes, maar de praktijk leert dat als ze de switch naar een elektrische wagen gemaakt hebben ze doorgaans heel tevreden zijn. Het rijcomfort is veel groter en er is minder onderhoud nodig. Het totale kostenplaatje van het rijden met een elektrische auto is vandaag ook al lager dan voor een brandstofwagen van vergelijkbare grootte.’
Een belangrijke factor in de daling van de aankoopprijs van een elektrische wagen is de kostprijs van de batterij die de wagen aandrijft. ‘Toen Tesla, pionier in elektrische wagens, in 2011 zijn Model S op de markt bracht, kostte de energieopslag van de wagen zo’n 900 dollar (of 840 euro) per kilowattuur’, stelt Driesen. ‘Vandaag is het minder dan 100 dollar (of 93 euro). De batterijprijs is in vrije val. De nieuwe batterijtypes die in de maak zijn, kunnen nog een factor vier tot tien compacter worden. Batterijen lijken ook amper te verslijten. In de eerste types elektrische wagens kon de batterij vervangen worden, maar aangezien de levensduur van een batterij doorgaans langer is dan die van de wagen zelf is die optie niet nodig. Je kunt in theorie twintig jaar rijden met zo’n batterij.’
Schommelstoel
Batterijen voor elektrische wagens behoren tot de ‘lithiumfamilie’. Ruwweg draaien ze op het transport van positief geladen lithiumionen tussen een anode en een kathode. Beide elektroden hebben ‘gaatjes’, waarin ionen worden opgeslagen. Bij het rijden stromen er ionen van de anode naar de kathode door een vloeistof (een elektrolyt), waardoor je elektriciteit verkrijgt. Als de anode leegloopt, krijg je een signaal dat de batterij bijna leeg is. Bij het opladen gebeurt het omgekeerde: dan lopen de lithiumionen terug van de kathode naar de anode – het proces wordt soms vergeleken met de beweging van een schommelstoel.
Een anode is doorgaans gemaakt van grafiet, een algemene koolstofverbinding. De kathode is een metaaloxide. Haar samenstelling bepaalt tot welk lid van de lithiumfamilie een batterij behoort: een nikkel-kobalt-aluminiumtype, een nikkel-mangaan-kobalttype of – een recentere ontwikkeling – een ijzerfosfaattype. Volgens cijfers gepubliceerd in Nature kan een batterij voor elektrische wagens 8 kilogram lithium bevatten, 35 kilogram nikkel, 20 kilogram mangaan en 14 kilogram kobalt. Verwacht wordt dat, als gevolg van het succes van elektrische wagens, de vraag naar sommige van die materialen tegen 2050 zes keer hoger zal zijn dan vandaag.
Vandaar ook de discussie over de milieuvriendelijkheid van batterijen. Sommige van de gebruikte metalen zijn zeldzaam en worden gewonnen in landen die niet getuigen van groot respect voor mensenrechten en aanvaardbare arbeidsomstandigheden, zoals Congo, dat twee derde van de kobaltvoorraden van de wereld bezit. Een groot deel van het nikkel komt uit Indonesië. Ook China heeft veel van de vereiste metalen in zijn ondergrond. Het zijn geopolitiek gevoelige situaties, die maken dat de prijzen van die metalen bokkensprongen kunnen maken op de wereldmarkt. En daar zitten producenten niet op te wachten, zeker niet als ze op lange termijn willen plannen.
Lithium staat voorlopig buiten discussie. ‘Lithium is een stof die algemeen voorkomt en garant staat voor een lange levensduur – een doorsnee lithiumbatterij kan gemakkelijk tweeduizend laadcyclussen aan’, zegt Joeri Van Mierlo. ‘Een belangrijk speerpunt van nieuw onderzoek is het vervangen van het vloeibare elektrolyt door een vaste stof, waardoor een batterij een stuk kleiner zal worden zonder aan energiecapaciteit en laadvermogen te verliezen. Bovendien zal de kwestie van de brandbaarheid dan opgelost zijn.’
Ook aan de elektroden wordt gesleuteld. ‘Er is een tendens om het grafiet in de anode te vervangen door silicium’, zegt Egbert Lox, voorzitter van ingenieursvereniging Ie-Net en tot zijn pensioen aan het werk bij Umicore, de Belgische onderneming die zich specialiseert in het recycleren van batterijen en elektronische apparaten. ‘Silicium heeft een hogere capaciteit dan grafiet, heeft een hoge beschikbaarheid en – belangrijk – is niet brandbaar, wat de veiligheid zal verhogen. Het proces van vervanging is al bezig voor computers en telefoons, maar elektrische auto’s zullen snel volgen.’
De kathode zal er eveneens anders uitzien. ‘Je ziet een vermindering van kobalt ten voordele van nikkel’, vertelt Lox. ‘Dat heeft niet alleen voordelen qua beschikbaarheid, maar ook qua prestaties. Ik verwacht wel dat de volgende vijftien tot twintig jaar lithiumionen de basis van alle batterijen zullen blijven. De techniek werd zo’n twintig jaar geleden ontwikkeld en is in 2019 bekroond met een Nobelprijs. Ze heeft het concept van de batterij voor elektrische auto’s naar de massamarkt gebracht. Er zullen verfijningen van de structuur van vooral de kathode komen, maar de chemische basis zal niet beduidend veranderen.’
Als je de vakliteratuur raadpleegt, zie je geregeld nieuwigheden opduiken, zoals magnesiumbatterijen, croconzuurbatterijen, isomeerbatterijen, superpara-elektrische batterijen en microsupercondensatoren. ‘In de wereld van de productontwikkeling bestaat er een schaal die we de technology readiness level (TRL) noemen’, zegt Lox. ‘Ze bepaalt hoe marktklaar een ontwikkeling is op een schaal van 1 tot 9, waarbij 9 perfect is. De meeste voorbeelden van de opsomming hebben een TRL van 1, wat betekent dat ze in de fase van “een goed idee” zitten. Er wordt nu veel gepraat over de natriumbatterij. Natrium is sterk verwant aan lithium, maar nog meer beschikbaar, want het is een element van zout. Ook daarmee zitten we nog vijf tot zes cruciale stappen verwijderd van praktische toepasbaarheid. Maar we mogen nooit het geloof in de kunde van de mens verliezen. Er zullen nog geweldige ontwikkelingen komen, waar we nu niet eens zicht op hebben.’
Recyclage
Umicore zet sterk in op recyclage van batterijen, terwijl een materiaal als lithium zo algemeen voorradig is dat het opdelven ervan nog een tijd goedkoper zal blijven dan het recycleren. ‘Daar mag je niet te veel rekening mee houden als je het proces van batterijproductie wilt verduurzamen’, stelt Lox. ‘Per wagen gaat het om 300 tot 500 kilogram materiaal, dat mag je niet zomaar dumpen. Bovendien gaat het om meer dan alleen het recupereren van lithium, waardoor het proces toch rendabel wordt – stoffen als kobalt en nikkel brengen wel veel op als recyclageproduct. De CO2-voetafdruk van gerecycleerde materialen is doorgaans lager dan die afkomstig uit mijnbouw. Nieuwe Europese regelgeving geeft het vergroeningsproces van de batterijproductie een stevige duw in de rug. Het is een manier om Europa de kans te geven marktaandeel te verwerven in een markt die momenteel sterk door China en andere Aziatische landen gedomineerd wordt. De groene batterij moet voor ons een economisch verschil kunnen maken. Het herontwerpen van batterijen om ze gemakkelijker te kunnen recycleren, zou daarbij een grote stap vooruit zijn.’
Een relatieve nieuwigheid is het hergebruik van afgedankte autobatterijen als thuisbatterij, waarmee bijvoorbeeld energie uit zonnepanelen tijdelijk kan worden opgeslagen. Als een autobatterij 20 procent van haar capaciteit verloren heeft, wordt ze minder geschikt voor wagens, omdat het rijbereik dan afneemt. Maar voor minder veeleisende toepassingen, zoals het opslaan van energie thuis of op bedrijven, kan ze wel nog nuttig zijn. ‘Het is niet zo moeilijk om een autobatterij om te bouwen tot een thuisbatterij, hoewel het meer is dan een legoachtig proces’, zegt onderzoeker Jeroen Gillabel (VITO), die het concept voor de Vlaamse overheid bestudeert. ‘Europa streeft niet alleen naar recyclage, maar ook naar een tweede leven voor zo veel mogelijk batterijen. Ombouwen geeft hogere economische winsten dan recyclage én spaart veel CO2 uit, omdat er minder nieuwe thuisbatterijen hoeven te worden gemaakt. De technologie kan Vlaanderen zes keer meer opleveren dan recyclage. De snelheid van opereren is daarbij wel cruciaal: als iedereen tegen 2025 al een thuisbatterij wil, zal de kans op het recupereren van autobatterijen kleiner worden, vooral omdat ze zo’n lange levensduur hebben. De markt zal dan verzadigd zijn.’
Verslaafd aan premies
Ingenieur Johan Driesen waarschuwt voor overhaast inzetten op thuisbatterijen: ‘Een Belg lijkt verslaafd aan overheidspremies. Er komen premies voor thuisbatterijen, dus wordt er snel op ingetekend zonder na te denken over het nut ervan. Dikwijls zijn thuisbatterijen te klein, zodat ze onvoldoende zonne-energie kunnen opslaan. Er is ook meer nodig dan het ombouwen van een autobatterij om er een thuisbatterij van te maken. Er moeten convertoren komen om ze aan te sluiten op een elektrisch systeem. Er moet grondig worden nagedacht over wat dan het voordeligst is: het plaatsen van batterijen thuis of in een batterijcontainer in een wijk, vanwaaruit individuele gezinnen worden bevoorraad. Waarmee ik niet wil zeggen dat thuisbatterijen niet nuttig kunnen zijn voor het verduurzamen van ons energiesysteem, zeker als dat steeds meer gaat draaien op hernieuwbare bronnen als zon en wind. Het Europese energiesysteem is het meest innovatieve ter wereld, maar als we dat zo willen houden moeten we op voldoende lange termijn durven te kijken.’
VUB-expert Joeri Van Mierlo wijst ten slotte nog op de optie van het gebruik van de elektrische auto zelf als thuisbatterij. ‘Een elektrische wagen kan een buffer zijn tegen de schommelingen van hernieuwbare-energieproducenten zoals zon en wind. Je kunt overdag je wagen opladen met energie verschaft door de zonnepanelen op je werk. ’s Avonds kun je dan een deel van die energie bij je thuis gebruiken voor je elektriciteitsvoorziening. Gemiddeld heb je amper 10 procent van de energie van je autobatterij nodig om je huis te voeden. Zo kan de elektrische wagen een extra instrument worden om hernieuwbare energie een grotere plaats in het elektriciteitsaanbod te geven. Als je alles in rekening brengt, is een elektrische wagen nu al drie tot vier keer klimaatvriendelijker dan een brandstofwagen. Als je meer gaat inzetten op hernieuwbare energie voor zijn voeding, zal het nog meer worden. Er valt alleen maar te winnen bij de omschakeling naar elektrisch rijden.’
