Succes groen rijden is afhankelijk van nieuwe accu

Elektrische auto’s zijn stil zijn en ze vervuilen hun directe omgeving niet. Achilleshiel is de actieradius, die nog steeds niet veel verder reikt dan 200 km. De accu’s worden beter, maar ze hálen het niet bij benzine.

Binnen de auto-industrie vindt een stille revolutie plaats waarbij steeds meer elektrische modellen de fabriek verlaten. Deze week koos BMW Amsterdam uit voor de wereldwijde presentatie van hun eerste volledig elektrische auto.

„Nederland loopt voorop als het gaat om elektrische mobiliteit”, zegt Harald Krüger, lid van de raad van bestuur van BMW. „Er bestaat hier een goede infrastructuur voor elektrisch rijden en bovendien hebben de Nederlanders een fascinatie voor e-mobility.” Amsterdam geldt als het oplaadwalhalla van Europa.

Het elektrisch rijden wordt door de Nederlandse overheid gepropageerd, met name door de lage emissie. De elektrische auto stoot per kilometer 75 gram CO2 uit, de benzineauto 170 gram CO2, zo staat vermeld in de brochure Energie Trends 2012 van het energie-onderzoeksinstituut ECN. De CO2-uitstoot van de elektrische auto vindt vooral plaats bij de centrale die de elektriciteit levert voor het herladen van zijn accu.

De CO2-uitstoot van de benzineauto vindt plaats bij de uitlaat, maar ook in de olieraffinaderij, want er is veel energie nodig voor het bereiden van benzine. De elektrische auto steekt gunstig af omdat de elektromotor een prachtig rendement heeft en een moderne aardgascentrale naar verhouding weinig CO2 produceert.

Maar zo groot als ECN het verschil voorstelt is het niet. Er zijn genoeg moderne benzineauto’s die beneden de 100 gram CO2-uitstoot per kilometer blijven, (zie anwb.nl). De CO2-uitstoot van elektrische auto’s wordt met name ook bepaald door de centrale’s waar die elektriciteit wordt opgewekt. Een zuiver vergelijk is bijna onmogelijk omdat een elektrische auto die niet rijdt toch energie verbruikt door zelfontlading van de accu.

Een onbetwist voordeel van elektrische auto’s is dat ze stil zijn en hun directe omgeving niet vervuilen. Een van de grote nadelen is dat hun actieradius nog steeds niet veel verder reikt dan 200 km. Die wordt bepaald door de energiedichtheid van de accu’s (zie kader) en die is in de loop van de decennia maar nauwelijks verbeterd. De energiedichtheid is de hoeveelheid energie per gewicht, bijvoorbeeld kilogram. De energiedichtheid van de meest moderne accu voor elektrische auto’s, de lithium-ion accu (Li-ion accu) ligt zo tussen de 100 en 160 wattuur per kilogram. Dat is wel vier of vijf keer zoveel als die van de klassieke lood-zwavelzuur-accu, maar nog altijd honderd keer minder dan benzine. Dat is de kern: de accu’s worden beter, maar ze hálen het niet bij benzine.

Waarom duurt het zo lang?

De vraag is waarom het zo lang duurt voor er betere accu’s zijn. Aan de technische inspanning ligt het niet. Er is een veelheid aan accu’s in ontwikkeling, maar er zijn maar drie typen breed in gebruik: naast de lood-zwavelzuur accu en de Li-ion accu alleen nog de NiMH (nikkelmetaalhydride)-accu. De NiMH ontstond uit de oplaadbare NiCd-batterij die moest verdwijnen omdat cadmium zo giftig is.

Het is geen sinecure om een accu te verbeteren. Hij moet aan veel eisen voldoen en als er winst geboekt wordt op het ene punt, wordt op een ander punt vaak weer ingeleverd. De bijgaande tabel noemt de vier punten die het eerst ter sprake komen in een onderlinge vergelijking. Maar er worden veel meer eisen gesteld. De accu mag niet snel verouderen, moet veel laad-ontlaadcycli kunnen doorstaan, moet liefst ook nog werken als het koud is, enzovoort. Moeiteloos formuleren gebruikers, waaronder autoproducenten, meer dan twaalf dwingende eisen. Niet de minste is dat de accu voldoende snel is te herladen en niet te gevoelig is voor een onjuiste oplaadprocedure. En hij moet ook nog betaalbaar zijn.

De NiMH-accu, die aanvankelijk met zijn hoge energiedichtheid en uitstekende ‘shelf life’ (magazijn-opslag) zoveel aantrekkelijker leek dan de klassieke loodzwavelzuuraccu, blijkt een onaangenaam hoge zelfontlading te hebben. Ook is de laad-ontlaad-efficiency laag. In laptops en smartphones is dat niet zo’n ramp, maar in elektrische en hybride auto’s word de NiMH inmiddels vervangen door de Li-ion accu.

Er komt bij dat lang niet alle toepassingen dezelfde eisen stellen aan accu’s. Wordt een accu gebruikt voor de aandrijving van de elektromotor van een elektrische auto, dan moet hij diepe ontlading (deep discharge) kunnen doorstaan. Een startaccu van een gewone benzine-auto blijft eigenlijk altijd vol. Accu’s die voor noodgevallen standby staan in computercentra of kerncentrales hoeven geen hoge energiedichtheid te hebben omdat het gewicht er niet toe doet. Maar wel de zelfontlading. Accu’s die worden opgenomen in een laptop hebben vaak koelproblemen die in andere toepassingen niet bestaan. De ontwikkelingen bij de laptopaccu’s worden intensief gevolgd door de automobielsector – zij lopen voorop in de innovatie.

Milieu- en duurzaamheidseisen staan enigszins los van de technische toepasbaarheid van de accu’s. Ze werken vooral in het nadeel van loodaccu’s tenzij een waterdichte recycling is gegarandeerd.

Batterij is eigenlijk accu

Wat wij in Nederland een accu noemen heet in de Engelstalige literatuur een secondary battery. Met een primary battery wordt een niet-herlaadbare batterij bedoeld, dus een wegwerpbatterij als de ouderwetse zink-bruinsteen batterij of de modernere alkaline batterij. De herlaadbare stroombron van laptops en smartphones zouden wij ook een accu moeten noemen, maar iedereen zegt batterij. Dat is verwarrend. Er is geen principieel verschil tussen de geavanceerde accu’s die voor elektrische en hybride auto’s in gebruik zijn en de herlaadbare batterijen uit laptops en mobiele telefoons.

De capaciteit van accu’s wordt traditioneel uitgedrukt in ampère-uur (Ah). Een accu met een capaciteit van 100 Ah kan 20 uur lang een elektrische stroom van 5 ampère leveren, of 10 uur lang een stroom van 10 ampère. Om de energie-inhoud van de accu te berekenen moet het aantal ampère-uren worden vermenigvuldigd met de spanning die de accu levert. Een 100 Ah-accu van 12 volt heeft een energie-inhoud van 1.200 wattuur, dat is 1,2 kWh, de bekende afrekeneenheid van het huiselijk elektriciteitsverbruik. Weegt zo’n accu 24 kilo dan is de energiedichtheid gelijk aan 50 wattuur per kilogram (50 Wh/kg). De zuivere berekening is ingewikkelder omdat veel accu’s niet helemaal kunnen worden ‘leeggehaald’ zonder ze te beschadigen.

De energiedichtheid is een veelgebruikte vergelijkingsmaat. De wattuur laat zich makkelijk omrekenen naar de gewonere energie-eenheid joule, want er geldt: 1 watt = joule per seconde. Zo berekent men snel de energie-inhoud van benzine (12.000 Wh/kg). Accu’s blijven er dramatisch ver bij achter.

Niet alleen de energie-inhoud van een accu is belangrijk, maar ook het vermogen om energie in heel korte tijd vrij te maken. Dat wordt letterlijk aangeduid met ‘vermogen’ (power), eenheid: watt. Accu’s en batterijen hebben altijd een relatief laag vermogen, want ze zijn afhankelijk van chemische processen en die verlopen niet snel. Condensators kunnen veel sneller energie afgeven (hoge vermogensdichtheid) maar slaan relatief weinig energie op: lage energiedichtheid.

Het rendement waarmee de hoeveelheid elektriciteit die bij het opladen aan het net wordt onttrokken later beschikbaar komt voor de auto of laptop wordt ‘efficiency’ genoemd. Het verschilt sterk van accu tot accu en dat maakt flink uit voor de berekening van de CO2-emissie. De Li-ion accu heeft een hoge efficiency.

Een accu of batterij die niet gebruikt wordt verliest toch langzaam energie: de zelfontlading. Gangbaar is de zelfontlading uit te drukken in het percentage energieverlies per maand. Ook hierin vertonen accu’s grote verschillen. De lood-zwavelzuur-accu heeft weinig zelfontlading.

De bijgaande tabel vergelijkt de die op dit moment breed in gebruik zijn. (De zink-bruinsteen batterij is de klassieke wegwerpbatterij uit de zaklantaarn; de alkaline batterij lijkt er sterk op). De waarden die de literatuur opgeeft lopen nogal uiteen omdat van de drie typen steeds nieuwe uitvoeringen verschijnen, zelfs van de ‘oude’ lood-zwavelzuuraccu. Ook het tempo waarin stroom wordt onttrokken maakt uit.