Elektrisch rijden maakt sprongen: snelladen wordt de nieuwe norm

Een stand van zaken én een vooruitblik op de toekomst

Er beweegt heel wat in de elektrische mobiliteitssector. Lange afstanden afleggen met een elektrische wagen is intussen geen utopie meer, en ook trucks volgen stilaan het elektrificatiepad. Vooral het laadnetwerk vormt vandaag nog een uitdaging, al zien we ook daar tal van innovaties. Waar staan we vandaag, en waar gaan we naartoe? Tijdens een infosessie van sectorfederatie Volta gaf prof. Johan Driesen (KU Leuven en EnergyVille) ons een stand van zaken.

Waarom elektrificeren?

“Elektrificeren? Waarom doen we het eigenlijk?” Met die vraag stak prof. Johan Driesen van wal. “Je hoort vaak: ‘Omwille van de energietransitie.’ Maar dé energietransitie bestaat eigenlijk niet. Je spreekt beter over een energietransitie, want we hebben er in het verleden al meerdere gekend. Denk maar aan de omslag van paard en kar naar trein en auto. Ook de energievector is geëvolueerd: van haver, naar steenkool, naar diesel, en nu dus naar elektriciteit.”

“Er zijn drie belangrijke drijfveren voor deze energietransitie. Ten eerste willen we “defossiliseren” om de CO₂-uitstoot te verminderen en zo de klimaatverandering af te remmen. Ten tweede streven we naar meer energie-autonomie, zodat we minder afhankelijk zijn van ingevoerde brandstoffen. En als derde drijfveer speelt ook de evolutie van de energiemarkt een rol: de vrije energiemarkt is steeds sterker gericht op elektriciteit als centrale energiedrager.”

Waarom elektrisch rijden?

“De equivalente CO₂-uitstoot per kilometer is bij elektrisch rijden erg laag: 0 tot 60 g. Bij thuisladen met eigen zonne-energie is dat zelfs 0 g en bij laden in een land met enkel kolencentrales maar 60 g. Ter vergelijking: een brandstofwagen stoot voor dezelfde kilometer 100 tot 120 g CO₂ uit. Daarenboven veroorzaakt rijden op brandstof NOx- en fijnstofuitstoot en zorgt het voor aanzienlijk wat lawaai.”

“En wat zeker ook belangrijk is, is dat een elektrische motor bijzonder energie-efficiënt is. Een verbrandingsmotor haalt slechts een rendement van 20%, terwijl een elektrische aandrijving ruim boven de 90% zit. En waar het verbruik vroeger nog zo’n 20 kWh per 100 kilometer bedroeg, is dat bij moderne elektrische auto’s gemiddeld nog maar 15 kWh per 100 kilometer.”

Internationale markt staat niet stil

“Elektrische voertuigen worden namelijk lichter en efficiënter, en ook de batterijen worden steeds beter. Vandaag wordt de batterij geïntegreerd in de vloerplaat, omdat ze toch de volledige levensduur van de wagen meegaat. Daardoor draagt de batterij bij aan de stijfheid van het chassis, daarenboven is er geen transmissie of versnellingsbak meer nodig en is het gewicht veel beter verdeeld. Het resultaat: de nieuwe generatie elektrische wagens rijdt uitzonderlijk goed.”

“Ook op het vlak van prijs gaat het de goede richting uit. Dankzij de sterke concurrentie, vooral vanuit China, worden elektrische wagens steeds goedkoper. Binnen twee à drie jaar zullen elektrische modellen in theorie evenveel kosten als bepaalde categorieën brandstofwagens.”

Zijn er alternatieven voor elektriciteit?

“Voor sommige toepassingen blijven moleculaire energiedragers noodzakelijk, zoals in de scheepvaart of de luchtvaart op lange afstanden. Daar kunnen waterstof of zogenaamde elektrofuels, geproduceerd op basis van waterstof, mogelijk een oplossing bieden. Maar voor bijna alle andere vormen van transport is dat geen goed idee, zeker niet als we kijken naar het traject dat de opgewekte energie aflegt, en hoeveel energie er verloren gaat bij transport en conversies.”

“In het geval van elektrisch rijden, wordt de opgewekte elektriciteit getransporteerd en vervolgens gebruikt om de batterij van de auto op te laden. Die batterij levert daarna stroom aan een hoogrendementselektromotor. Van de 100% opgewekte elektriciteit blijft er uiteindelijk ongeveer 80% over om mee te rijden. Dat betekent een verlies van 20%, wat erg weinig is.”

Waterstof of elektrofuels?

“Kiezen we ervoor om op waterstof te rijden, dan verloopt het proces veel omslachtiger. Want vergeet niet, een waterstofauto beschikt eigenlijk ook over een elektromotor. Hier wordt de opgewekte elektriciteit eerst gebruikt om waterstof te produceren. Die waterstof moet daarna worden getransporteerd, opgeslagen in een waterstoftank en vervolgens getankt worden in de brandstofcel van de wagen. De brandstofcel zet de waterstof opnieuw om in elektriciteit, die dan de elektromotor aandrijft. Van de oorspronkelijke 100% opgewekte elektriciteit blijft er slechts een 30% over om mee te rijden. Met andere woorden: met dezelfde hoeveelheid energie rijd je met een elektrische wagen bijna drie keer verder dan met een waterstofauto.”

“Blijf je vasthouden aan tanken aan de pomp, dan moeten er met die elektriciteit eerst elektrofuels worden gemaakt. In dat geval hou je amper 15 à 20% van de oorspronkelijke energie over. Daarom: rij liever volledig elektrisch en niet op elektrofuels. Sommige automerken blijven e-fuels promoten, maar dat is vooral om bestaande industriële structuren en jobs te beschermen, niet omdat het energetisch en prijsmatig de beste keuze is.”

Zijn de materialen in elektrische voertuigen wel duurzaam?

Wat met de batterijen?

“Batterijen bevatten kritische materialen die via mijnbouw worden gewonnen. Dat gebeurt één keer, waarna deze materialen gedurende de volledige levensduur van de batterij kunnen worden hergebruikt. Lithium was lange tijd een essentieel onderdeel van batterijen, maar ondertussen zijn er alternatieven in opmars, zoals natrium-ionbatterijen.”

“Ook kobalt, een toxisch materiaal dat vaak onder minder ethische omstandigheden wordt ontgonnen, verdwijnt steeds meer uit het batterijlandschap. Waar vroeger vooral NMC-batterijen (nikkel, mangaan, kobalt) de standaard waren, zien we nu een sterke opmars van LFP-batterijen (lithium, ijzer, fosfaat). Chinese ontwikkelaars hebben deze technologie razendsnel opgeschaald en geoptimaliseerd. Het resultaat: LFP-batterijen halen vandaag een vergelijkbare energie-inhoud als NMC-batterijen, maar zijn aanzienlijk goedkoper. Bovendien zijn ze uitstekend geschikt voor snelladen, omdat ze hogere laadvermogens langer kunnen aanhouden zonder oververhitting.”

“En de ontwikkeling staat nog lang niet stil. Nieuwe batterijtypes komen eraan, zoals solid-state batterijen, die potentieel zelfs zonder kritische materialen kunnen worden gebouwd.”

“Daarnaast gaan batterijen steeds langer mee. Met levensduren tot 20.000 laadcycli ontstaat een groeiende ‘second-life’-markt, en komt er meer aandacht voor hoogwaardige recyclage.”

Hoe zit het met motoronderdelen?

“Sommige elektromotoren bevatten eveneens kritische materialen. Dat geldt bijvoorbeeld voor permanente-magneet-synchroonmotoren: ze zijn erg efficiënt, maar de magneten bevatten zeldzame aardmetalen die door geopolitieke factoren mogelijk minder beschikbaar worden.

Gelukkig bestaan er heel wat alternatieven die dit probleem niet hebben, zoals inductiemotoren, switched-reluctance motoren, gewikkelde-rotor synchrone motoren en nieuwere types zoals SynRM-motoren. Een overstap naar deze technologieën is dan ook zeker geen gek idee.”

Hoe ziet de toekomst van laden er uit?

“Een elektrische auto laad je op via wisselstroom (AC) of via gelijkstroom (DC). Het vermogen - uitgedrukt in kW - bepaalt hoe snel de energie van het laadpunt in de batterij terechtkomt. Laden op wisselstroom gebeurt aan relatief lage vermogens: maximaal 22 kW, maar in de praktijk meestal 11 kW. Dat is ideaal voor thuis of op kantoor, waar de wagen langere tijd kan blijven staan en rustig kan bijladen.”

“Steeds vaker moeten mensen echter sneller kunnen laden. Denk aan bestuurders met een elektrische wagen maar zonder eigen garage of oprit. Wie in een stad woont, is vaak aangewezen op publieke laadpalen, die almaar drukker worden. Daardoor verschuift de aandacht steeds meer naar snelladen, wat gebeurt op gelijkstroom en waarbij vermogens tot 350 à 400 kW mogelijk zijn, waardoor de batterij in veel kortere tijd kan worden opgeladen.”

Hoe voldoen aan hogere vermogensvraag?

“Maar ook op dit vlak is er heel wat in beweging. Met de huidige CCS2-stekker voor snelladen kunnen vermogens tot 400 kW, en in uiterste gevallen zelfs tot 500 kW, worden gehaald. Nu ook trucks steeds meer elektrificeren, met batterijpakketten van 600 kWh en meer (de batterijcapaciteit wordt uitgedrukt in kWh), volstaat die CCS2-standaard niet langer.”

“Daarom komt de volgende generatie snellaadtechnologie eraan: de MCS-stekker, de gekoelde Megawatt Charging System-stekker. Waar CCS2 bij 400 V of 800 V vermogens tot 400 à 800 kW kan leveren, werkt MCS op spanningen tot 1200 V en kan het 1 MW en meer aan vermogen leveren. Er wordt momenteel volop getest met deze nieuwe standaard, en de eerste vrachtwagenfabrikanten zijn de technologie al aan het implementeren.”

“Sowieso kunnen we er niet omheen: snellaadpalen zullen steeds sterker geïntegreerd moeten worden. Daarmee neemt ook het DC-laden verder toe. We evolueren dus naar systemen waarbij een groter deel van het hele laadplein op DC werkt, of zelfs volledig op DC draait. Dat vermindert het aantal conversiestappen en maakt het laden efficiënter.”

Hoe gaan we laden integreren?

“Hoe gaan we het laden van elektrische voertuigen inpassen in ons elektriciteitssysteem? Kijk je naar de energiebalans van een gemiddelde woning, dan zie je ’s morgens een verbruikspiek, overdag een diepe daling en ’s avonds opnieuw een piek. Net op dat moment - overdag - produceren zonnepanelen volop stroom, terwijl er in huis nauwelijks verbruik is.”

“Een thuisbatterij kan daarbij een oplossing bieden. Tot voor kort was het moeilijk om hier financieel voordeel uit te halen, maar wanneer je de batterij systematisch inzet en bijvoorbeeld ‘s avonds je auto oplaadt met opgeslagen zonne-energie, wordt het geheel plots een stuk interessanter.”

De autobatterij als opslag?

“Een andere mogelijkheid is om je autobatterij zelf als opslag te gebruiken. Een elektrische wagen is tenslotte een batterij op wielen. Dat heet V2G: de auto ontlaadt bijv. wanneer er piekverbruik is. In theorie klinkt dat perfect, maar de vraag is of er ook een sluitende businesscase achter zit, want die auto moet er op dat moment wel staan natuurlijk.”

“Bij de duurdere elektrische wagens duiken stilaan de eerste V2G-modellen op, meestal via de DC-poort. AC-oplossingen bestaan ook, maar zijn nog sterk beperkt. Sinds april is AC-ontladen wel toegestaan - net zoals plug-in zonnepanelen - maar het vermogen is beperkt tot 800 W, veel te weinig om echt bij te dragen aan netbalancering. Voor hogere vermogens heb je de DC-poort nodig, én een duurdere bidirectionele lader. Daardoor wordt het voor een particulier moeilijk om een rendabele businesscase te vinden. Het kan wel werken als het op bedrijfsniveau slim wordt georganiseerd.”

“Al botst bidirectioneel laden in de praktijk in ons land op een aantal fiscale knelpunten. Denk aan situaties waarbij iemand op het werk een salariswagen oplaadt en die energie nadien thuis gebruikt om te koken of het huis te voeden. Dat brengt vandaag allerlei belastingvraagstukken met zich mee. Of bidirectioneel laden op grote schaal zal doorbreken, zal dus vooral afhangen van hoe de regelgeving zich de komende jaren ontwikkelt.”

Hoe met velen tegelijk laden?

“Nog een belangrijk vraagpunt is, hoe ga je efficiënt met velen tegelijk laden? Wanneer iedereen tegelijk begint te laden op een bedrijfsparking bijvoorbeeld, moet je vermijden dat er een enorme piek ontstaat en de kosten de hoogte inschieten. Je kunt wel een groot aansluitvermogen aanvragen, maar bij Fluvius kom je dan achteraan in de wachtrij terecht. Als oplossing zijn er twee opties: load balancing of slim laden.”

Load balancing als oplossing?

Load balancing betekent dat je het beschikbare aansluitvermogen gewoon gelijk verdeelt over alle ladende auto’s. Heb je 50 kW beschikbaar en laden er 5 auto’s, dan krijgt iedereen 10 kW. Laden er 50 auto’s, dan zakt dat in theorie tot 1 kW per auto. Het is een eenvoudige, weinig intelligente oplossing die in een laadpunt snel kan worden ingesteld.”

“Maar load balancing is eigenlijk niet zo slim. Bij EnergyVille hebben we metingen uitgevoerd naar de laadefficiëntie van elektrische wagens, en daarbij onderzocht hoeveel van de aangeleverde energie er in feite effectief in de batterij terechtkomt.”

“Wat blijkt? Onder ongeveer 3 kW nemen de verliezen sterk toe: een deel van de aangeleverde energie gaat verloren als warmte en bereikt de batterij niet eens. Dat fenomeen zie je trouwens bij bijna alle vermogenelektronica, bijvoorbeeld ook bij PV-omvormers.”

“Daarom is load balancing, waarbij iedereen blind een klein beetje vermogen krijgt, verre van ideaal. Op die manier ben je op den duur gewoon je garage of parking aan het verwarmen.”

Beter slim laden?

“Bij slim laden geef je bij het inpluggen aan hoe laat je vertrekt en hoeveel batterijlading je nodig hebt. Een energiemanagementsysteem plant vervolgens automatisch de laadsessies doorheen de dag. Het houdt daarbij rekening met het beschikbare vermogen, de zonne-opbrengst, kWh-prijs en andere relevante factoren. Wie het eerst moet vertrekken, krijgt simpelweg voorrang.”

En wat als de trucks er nog eens bijkomen?

“De elektrificatie van trucks is niet meer veraf. Vandaag verbruiken de nieuwste elektrische trucks ongeveer 1 kWh per kilometer, wat bijzonder indrukwekkend is voor een volledig beladen voertuig. En dankzij de steeds grotere batterijcapaciteiten kunnen veel trucks inmiddels tot zo’n 500 kilometer afleggen, wat elektrisch vrachtvervoer echt levensvatbaar maakt.”

“Maar als al die trucks elektrisch worden, waar gaan ze dan laden? Een mogelijke oplossing is hen laten opladen aan logistieke centra en magazijnen. Trucks staan daar toch regelmatig stil, waardoor het ideale momenten zijn om de batterijen bij te laden. Net die logistieke centra hadden tot nu toe een probleem: ze beschikten vaak over grote dakoppervlakken, maar konden nauwelijks zonnepanelen plaatsen omdat hun aansluitvermogen op het net te beperkt was.”

“Door deze sites uit te rusten met batterijcontainers en ritten slim te plannen, overdag laden, ’s nachts rijden, kan je twee problemen tegelijk oplossen: de stroom wordt lokaal opgeslagen én je vermindert de impact op het elektriciteitsnet. En als bonus help je ook nog eens mee om het fileprobleem te verlichten.”