Elektrische auto’s:
Actieradius & Economische
positie
Begeleidend senior docent: Dr. M. Tromp Werkzaam op de FNWI Abstract:Het verdwijnen van fossiele brandstoffen betekent dat de mens over moet gaan stappen op duurzame alternatieven. Op het gebied van transport denkt men mogelijk aan elektrische auto’s. De consument ziet echter nog te veel beperkingen in het elektrisch rijden om de transitie naar elektrische auto’s volledig te laten plaatsvinden. De gemiddelde actieradius van 150 kilometer is een van de voornaamste beperkingen. In dit literatuuronderzoek wordt uitgezocht hoe de actieradius geoptimaliseerd kan worden en wat deze optimalisatie voor impact heeft op de economische positie van de elektrische auto. De actieradius kan worden geoptimaliseerd door aanpassingen in de elektromotor, het accupakket, Intelligent Transportation Systems (ITS) en het Battery Management System (BMS). Het optimaliseren heeft een positief effect op de economische positie van de elektrische auto. Om op hoog niveau te kunnen concurreren met de conventionele auto moet de actieradius van de elektrische auto, via ontwikkeling van de genoemde onderdelen, stijgen tot minstens 300 kilometer. Vanaf dat moment wordt de actieradius niet meer gezien als een beperking van het elektrisch rijden. Andere beperkingen blijven echter de prijs en de oplaadmogelijkheden van de elektrische auto. Begeleidend junior docent: R. Bults Werkzaam op de FNWI Onderzoekers: V. Bolle Economie . 10736824 B. Boskaljon Kunstmatige Intelligentie . 10821007 M. van Moort Natuurkunde . 10734929
21‑01‑2018
Inhoudsopgave
1. Introductie 3 1.1. Het probleem 3 1.2. Hoofdvraag en deelvragen 3 1.3. Hypothese 3 1.4. Interdisciplinariteit 4 1.5. Maatschappelijk en wetenschappelijk belang 4 2. Methodiek 4 3. Theoretisch kader 5 3.1. Onderdelen die bijdragen aan de actieradius 5 3.1.1. Elektromotor 5 3.1.2. Accupakket 6 3.1.3. Software 7 3.2. Ontwikkeling van deze onderdelen 7 3.2.1. Elektromotor 7 3.2.2. Accupakket 9 3.2.3. Software 10 3.2.3.1. Intelligent Transport Systems 10 3.2.3.2. Battery Management System 11 3.3. Economische positie 11 3.3.1. De huidige economische stand 11 3.3.2. Het verband met de actieradius 12 3.3.3. Verklaring van dit verband 13 4. Resultaten 13 4.1. Deelvraag 1 13 4.2. Deelvraag 2 13 4.3. Deelvraag 3 14 5. Discussie 14 6. Conclusie 14 7. Referenties 151. Introductie
1.1. Het probleem
Elektrische auto’s maken tegenwoordig een groot deel uit van de totale jaarlijkse auto verkoop (Egbue & Long, 2012). In Nederland is momenteel ongeveer 1,5% van alle auto’s op de weg elektrisch. Dit lijkt weinig, maar begin 2014 was dit nog maar ca. 0,375%. Het totale aandeel elektrische auto’s is in bijna 4 jaar dus gestegen met ongeveer 400% (CBS & RDW, 2017). De elektrische auto brengt veel voordelen met zich mee ten opzichte van conventionele auto’s die op fossiele brandstoffen rijden zoals benzine, diesel en gas. Voordelen zoals; lagere bijtelling, lagere CO 2 uitstoot, minder lange termijn kosten door het opladen en stiller rijden (Hidrue et al., 2011). De elektrische auto brengt behalve veel voordelen ook een aantal nadelen met zich mee. Volgens een onderzoek van Pearre et al. (2011) is een belangrijk punt van kritiek dat een elektrische auto gemiddeld relatief kleine afstanden kan a leggen op een volle accu in vergelijking met de afstand die een “normale” auto kan a leggen op een volle tank fossiele brandstof. De gemiddelde elektrische auto rijdt ongeveer 150 kilometer op een volle accu en een gemiddelde benzineauto rijdt ongeveer 650 kilometer op een volle tank (CBS & RDW, 2017). De afstand die een elektrische auto kan a leggen op een volle accu wordt de actieradius genoemd. De lagere actieradius van de elektrische auto wordt gezien als een belemmering van de groeimogelijkheden van de elektrische auto binnen de auto industrie (Mckinsey & Company, 2017). Er moet dus gekeken worden naar het positieve effect van de vergroting van de actieradius op de verkoop van de elektrische auto. In Figuur 1 is te zien wat de consument als grootste hindernissen ziet om een elektrische auto aan te schaffen.
De vraag naar elektrische auto’s zal mogelijk toenemen wanneer de actieradius zal worden vergroot (Weiss et al., 2016). Om het effect van de actieradius op de economische positie goed te kunnen analyseren, wordt er aangenomen dat de gemiddelde prijs van de gemiddelde nieuwe elektrische auto even hoog is als die van de gemiddelde nieuwe conventionele auto. Dit houdt in dat er geen rekening wordt gehouden met de aanschafprijs van de auto. Daarnaast worden hybride en andere onconventionele auto’s buiten beschouwing gelaten, omdat het vergelijken van de
elektrische auto met de één van deze andere auto soorten een ander onderzoek is.
Figuur 1: Onderzoek van Mckinsey & Company (2017) waarbij de grootste hindernissen in kaart worden gebracht die consumenten ervaren bij de potentiële aankoop van een elektrische auto.
1.2. Hoofdvraag en deelvragen
In het verloop van dit onderzoek wordt het antwoord op de volgende hoofdvraag gezocht: “Hoe kan de actieradius van de elektrische auto worden geoptimaliseerd en wat doet dit met de economische positie van de elektrische auto?”
Om deze hoofdvraag correct te kunnen beantwoorden, worden eerst de volgende deelvragen beantwoord:
‑ “Welke onderdelen binnen de elektrische auto dragen bij aan de actieradius?”
‑ “Hoe kunnen deze onderdelen zich verder ontwikkelen?”
‑ “Wat is het verband tussen de grootte van de actieradius en de economische positie van de elektrische auto en hoe kan dit verband worden verklaard?”
1.3. Hypothese
Er wordt verwacht dat de actieradius van de elektrische auto zich voornamelijk zal ontwikkelen door aanpassingen aan de batterij en het energy‑management‑systeem. Het ontwikkelen van de actieradius zal er vervolgens tot een zeker punt voor zorgen dat de elektrische auto een betere economische positie zal verkrijgen ten opzichte van de conventionele auto.
1.4. Interdisciplinariteit
Het onderzoek zal worden verricht vanuit drie disciplines; natuurkunde, kunstmatige intelligentie en de economie. Om de actieradius te kunnen optimaliseren moet er gekeken worden naar twee aspecten binnen de elektrische auto: de hardware en de software. De hardware wordt behandeld binnen de natuurkunde en de software wordt behandeld binnen de kunstmatige intelligentie. Hardware en software zijn nauw verbonden en optimalisatie en onderlinge afstemming van beiden is belangrijk voor de ontwikkeling van de actieradius.
Vanuit de natuurkunde en de kunstmatige intelligentie wordt er gekeken naar hoe de actieradius geoptimaliseerd kan worden. Vervolgens moet geanalyseerd worden wat een dergelijke verbetering in de actieradius doet met de vraag naar, en dus de concurrentiepositie van, de elektrische auto. Nadat er is gekeken naar alle mogelijkheden omtrent het verbeteren van de actieradius, wordt er dus vanuit een economische positie geanalyseerd wat deze mogelijkheden voor impact hebben op de consumentenvraag naar elektrische auto’s. Om de onderzoeksvraag te kunnen beantwoorden is er vanwege de inmenging van bovenstaande vakgebieden dus een interdisciplinaire aanpak vereist om het volledige probleem te kunnen dienen. De genoemde interdisciplinaire aanpak staat schematisch weergegeven in Figuur 2 hiernaast.
Figuur 2: Schematische weergave van de interdisciplinaire aanpak.
1.5. Maatschappelijk en
wetenschappelijk belang
Het gebruik van de “normale” conventionele auto is relatief veel vervuilender voor het milieu dan een elektrische auto ( Egbue & Long, 2012) . Het is
noodzaak dat de totale hoeveelheid uitlaatgassen die worden uitgestoot bij het rijden met de huidige conventionele auto’s wordt verminderd. De elektrische‑auto‑industrie is koploper in het creëren van emissiereducerende auto’s (Egbue & Long, 2012) . Omwille van het milieu is het belangrijk dat de elektrische auto beter gaat concurreren met de conventionele auto, aangezien een groter aandeel elektrische auto's zorgt voor een lagere totale emissie. In dit onderzoek zal er gefocust worden op een groot knelpunt van de elektrische auto, namelijk de actieradius. Elektrische auto’s kunnen relatief kleine afstanden a leggen en zijn vanwege zowel inanciële als geogra ische redenen alleen beschikbaar voor een klein deel van de wereldbevolking ( Plötz et al., 2014 ). De actieradius is dus een grote beperking wanneer men overweegt om te kiezen voor de aanschaf van een elektrische auto. Hierom is het belangrijk dat er onderzoek wordt gedaan naar het verbeteren van de actieradius en de impact hiervan op de economische positie van de elektrische auto. Er is namelijk weinig wetenschappelijke literatuur die het verband tussen beiden bespreken. Dit onderzoek zal daarom een goed overzicht geven waarin het genoemde verband centraal staat.
In de rest van het verslag volgt eerst een theoretisch kader waarin de relevante theorieën worden toegelicht die naar voren kwamen tijdens ons literatuuronderzoek. Daarna worden de gehanteerde methoden beschreven die hebben geleid tot de resultaten. De resultaten worden gerelativeerd in de discussie en tot slot wordt dit geheel samengevat in de conclusie.
2. Methodiek
Bij duurzaamheid kan men al snel denken aan transport. In dit onderzoek zal daarom de focus liggen op het elektrisch rijden. Bij het onderzoek is veel inspiratie opgedaan uit de werkwijze en visie van ingenieur en ondernemer Elon Musk, de oprichter van Tesla Motors. Tesla Motors is momenteel een van de grootste fabrikanten van elektrische auto’s. Mede dankzij de bekendheid van Tesla is de elektrische auto momenteel erg bekend. Toch steekt de conventionele auto in verkoopaantallen ver boven de elekrische auto uit (Rijksdienst voor Ondernemend Nederland, 2017). Met dit onderzoek zal worden uitgezocht hoe de elektrische auto het in de praktijk en dus indirect in
de economie kan opnemen tegen de conventionele auto. Het onderzoek begon door opzoek te gaan naar belangrijke belemmeringen voor de aanschaf van de elektrische auto. Al snel kwam de actieradius uit als grootste belemmering. Nu werd er afgevraagd hoe de actieradius geoptimaliseerd kan worden en wat voor impact deze optimalisatie zou hebben op de economische positie van de elektrische auto. Op deze manier kwam de hoofdvraag tot stand. Het onderzoek is voornamelijk een literatuuronderzoek. Naast het onderzoeken van literatuur zijn er een aantal experts geïnterviewd, naar wie ook in de tekst ook wordt verwezen. Een kwantitatief onderzoek zou geen meerwaarde hebben, omdat een grote steekproef zou moeten worden genomen om alleen voor de economische positie vast te leggen wat de consument denkt over de elektrische auto. Daarnaast is deze data goed terug te vinden in de gebruikte literatuur.
3. Theoretisch kader
In dit hoofdstuk wordt het uitgevoerde literatuuronderzoek samengevat. Er komen een aantal onderwerpen aan bod die uiteengezet moeten worden voordat de deelvragen beantwoord kunnen worden. Eerst wordt uitgelicht welke onderdelen voornamelijk bijdragen aan de actieradius van de elektrische auto. Vervolgens wordt besproken hoe deze onderdelen zich hebben ontwikkeld en hoe deze onderdelen zich in de toekomst kunnen ontwikkelen. Tot slot wordt de economische positie van de elektrische auto besproken. Hierbij wordt het verband tussen de actieradius en de economische positie verklaard.
3.1. Onderdelen die bijdragen aan de
actieradius
Om de actieradius te optimaliseren moet eerst uitgezocht worden welke onderdelen bijdragen aan de actieradius. De onderdelen kunnen vallen onder de hardware of de software van de auto. De hardware betreft de complete combinatie van materialen binnen de elektrische auto en hoe deze gebruikt wordt om de auto te laten rijden. Volgens zowel Mulder als Kelder (pers. comm., 2017) moet hierbij vooral worden gedacht aan de elektromotor en het accupakket. Binnen de software wordt gekeken naar de systeembeheersing en de soort algoritmes hierachter. Denk hierbij aan een systeem
dat ervoor zorgt dat de auto slim en zuinig rijdt, maar ook aan een systeem dat bepaalt hoe de energie uit het accupakket in de gehele auto gebruikt gaat worden. De software beschrijft hoe de hardware gebruikt gaat worden. Hardware en software zijn dus nauw met elkaar verbonden. Om de actieradius te optimaliseren is het noodzaak dat zowel de hardware als de software worden geoptimaliseerd.
3.1.1. Elektromotor
De elektromotor drijft de elektrische auto aan. In de elektromotor wordt elektrische energie uit het accupakket omgezet in mechanische energie. Bij deze transitie speelt ef iciëntie een grote rol. Omdat ef iciëntie belangrijk is voor de eventuele actieradius is het dus belangrijk om te kijken naar de ef iciëntie van de elektromotor. Eerst is het belangrijk om te weten hoe de elektromotor werkt.
Spoelen zijn essentieel binnen de elektromotor. Elektromagnetisme stelt dat als een spoel onder stroom staat, deze gaat functioneren als een magneet. Zoals iedere magneet heeft de spoel dan twee polen (noord en zuid). In Figuur 3 is een spoel schematisch weergegeven. De stroom die door de spoel in de iguur loopt zorgt ervoor dat de noordpool boven zit en de zuidpool onder. Wanneer de stroom in deze spoel tegengesteld gaat lopen, zullen de polen omdraaien. De richting waarin de stroom in een spoel loopt bepaalt dus hoe de magnetische polen van de spoel zich gaan oriënteren.
Figuur 3: Schematische weergave van een spoel met bijbehorende stroomrichting en magneetveldlijnen.
De elektromotor maakt gebruik van elektromagnetisme om elektrische energie om te zetten in mechanische energie. Een elektromotor bestaat altijd uit een rotor en een stator (zie Figuur 4 ). De rotor is het onderdeel dat gaat draaien en
levert dus de mechanische energie. In de iguur bevat de rotor twee spoelen. Deze spoelen kunnen individueel onder stroom gezet worden. De rotor bevat dus twee magneten waarvan de magneetvelden afzonderlijk kunnen worden beïnvloed. De stator zit, in tegenstelling tot de rotor, vast en bevat permanente magneten. Het magneetveld van de stator interacteert met het magneetveld van de spoelen op de rotor. Op deze manier kan de stator de spoelen aantrekken of afstoten. In de iguur trekt de noordpool van de stator de zuidpool van de linker spoel aan. De zuidpool van de stator trekt de noordpool van de rechter spoel aan. De rotor zal nu rechtsom gaan draaien tot de polen elkaar bereiken. Om de beweging voort te laten zetten moet nu de stroomrichting in de spoelen omgedraaid worden, zodat de magneetvelden ook omdraaien. De permanente magneten in de stator die de spoelen eerst aantrokken zullen de spoelen nu afstoten. De volgende permanente magneten in de stator zullen de spoelen dan weer aantrekken. Als de stator dus rondom gevuld is met permanente magneten, kan op deze manier een continue beweging tot stand gebracht worden. Alle elektromotoren werken volgens dit basisprincipe. De spoelen kunnen zich bevinden in de rotor, maar ook in de stator. Daarnaast is materiaalkeuze en de hoeveelheid gebruikte spoelen in een elektromotor ook zeer belangrijk (Kumar & Revankar, 2017). De ef iciëntie van een elektromotor wordt aangegeven door middel van de categorieën IE 1 t/m IE 5. Hierin is IE 1 gelijk aan “Standard Ef iciency” en IE 5 is gelijk aan “Ultra‑Premium Ef iciency” (IE staat voor International Energy).
Figuur 4: Schematische weergave van een elektromotor.
3.1.2. Accupakket
De capaciteit van het accupakket van de elektrische auto speelt een grote rol bij het optimaliseren van de actieradius. Het accupakket of de batterij van een elektrische auto bestaat uit cellen. Deze cellen kunnen gezien worden als kleine batterijen die allen bijdragen aan de capaciteit van het totale accupakket. Er zijn veel verschillende soorten batterijen, dus deze cellen kunnen op veel verschillende manieren geconstrueerd worden. Om de verschillende batterijtypes te kunnen begrijpen moet eerst de basis van de batterij besproken worden.
De batterij heeft twee elektrodes die gemaakt zijn van geleidend materiaal. Deze elektrodes worden de anode en de kathode genoemd en deze zijn aan elkaar verbonden (soms door middel van tussenliggende geleiders). In het volgende voorbeeld wordt zink als anode en koper als kathode genomen. De anode en kathode bevinden zich beiden in een zoutoplossing, het elektrolyt. Het elektrolyt bevat ionen en is daarom ook geleidend. Tussen beide elektroden zit een permeabel membraan om kortsluiting te voorkomen. De ionen van de zoutoplossing kunnen hier vrij door bewegen.
Figuur 5: Schematische weergave van een batterij (Winter & Brodd, 2004).
De zink anode bevindt zich in dit voorbeeld in een oplossing van ZnSO 4 en de koper kathode bevindt zich in een oplossing van CuSO 4 . Wanneer het systeem energie levert, lopen er elektronen van de anode naar de kathode (en een stroom in de tegenovergestelde richting). Deze elektronen
komen van de zinkelektrode. De overgebleven Zn 2+ ‑ionen bevinden zich vervolgens in de zoutoplossing. Wanneer de elektronen in de koper elektrode aankomen, reageren deze met de Cu 2+ ‑ionen uit het elektrolyt, waardoor meer koper ontstaat. De overgebleven SO 4 2‑ ‑ionen verplaatsen zich vervolgens door het membraan om te reageren met de Zn 2+ ‑ionen. Dit hele proces is samengevat in Figuur 5 . Op de plaats waar de “X” staat kan bijvoorbeeld een lamp geplaatst worden die zal branden als dit proces zich afspeelt. Wanneer het systeem energie ontvangt, speelt deze procedure zich in de omgekeerde volgorde af, waardoor de batterij oplaadt. De ef iciëntie van een batterij hangt af van alle materialen en stoffen die gebruikt worden in de batterij.
3.1.3. Software
Een belangrijke verandering in de geschiedenis van het bouwproces van een auto, is dat men in vergelijking met vroeger steeds meer software systemen in het voertuig is gaan plaatsen. Met behulp van deze “car‑electronics” kunnen bijvoorbeeld hydraulische vloeistoffen worden gecontroleerd, handelings signalen worden verstuurd of rijgevens worden verzameld (Barron & Powers, 1996). Na analyse van deze rijgevens kan de bestuurder onder andere visuele informatie krijgen over hoe er met de auto wordt gereden en of er bijvoorbeeld defecten zijn. De auto kan vanwege het grote aantal elektronica componenten worden gezien als een rijdende computer waarin systemen continu in verbinding met elkaar staan om de nodige in‑ en output te leveren. In een elektrische auto is dit niet anders, behalve dat er nog meer elektronische aansturing plaatsvindt door de constant benodigde communicatie tussen de elektrische aandrij lijn en de accu (Murphey et al., 2012). Hiernaast is software ook een steeds belangrijkere rol gaan spelen in combinatie tussen de auto en de omgeving (Miles & Walker, 2006). Een auto is tegenwoordig bijvoorbeeld in staat om verkeersborden te herkennen en tonen op het infotainment display, rijkarakteristieken aan te passen aan het weer (sensoren die de grip van de banden in de gaten houden) en verkeersinformatie over de drukte op een bepaald traject binnenkrijgen op het navigatiesysteem.
Vanwege de hierboven geschetste groeiende rol van software systemen in auto’s, is het bij het onderzoeken van factoren die de actieradius kunnen beïnvloeden belangrijk om naast de hardware ook de software te bekijken. De
Intelligent Transportation Systems (ITS) en het Battery Management System (BMS) zijn overkoepelende software systemen die invloed op de actieradius kunnen uitoefenen. Binnen de ITS wordt gekeken naar hoe het rijgedrag van de mens aangepast kan worden om zo ef iciënter te rijden en dus minder energie te verbruiken. Het BMS stuurt de batterij aan. Het beschermt de batterij en zorgt er allereerst voor dat energie op een veilige manier onttrokken wordt aan de batterij en dat de batterij zich ten alle tijden in een geschikt milieu bevindt. Alle data omtrent het opladen en ontladen van de batterij wordt door het BMS opgeslagen. Deze data kan vervolgens weer gebruikt worden om berekeningen te maken en de uitkomsten van deze berekeningen kunnen de ef iciëntie van de elektrische auto verbeteren (Li & Zhen, 2010).
3.2. Ontwikkeling van deze onderdelen
Nu duidelijk is welke onderdelen bijdragen aan de actieradius, worden de ontwikkelingen van deze onderdelen besproken. Ook wordt besproken in welke mate deze ontwikkelingen bijdragen aan de actieradius. Zo kan dus worden bepaald bij welke onderdelen het meest te winnen valt op het gebied van actieradius.
3.2.1. Elektromotor
Er zijn veel verschillende soorten elektromotoren. Bij elektrisch rijden zijn er vier leidende soorten, namelijk de IM (Induction Motor), de PMHM (Permanent Magnet Hybrid Motor), de SRM (Switched Reluctance Motor) en de PMBLDCM (Permanent Magnet Brushless Direct Current Motor). De praktijk laat zien dat de IM vandaag de dag nog het meest gebruikt wordt in elektrische auto’s (Kumar & Revankar, 2017).
De spoelen van de IM bevinden zich in de stator. Deze spoelen gaan helemaal om de stator heen als grote lussen. In Figuur 6 is de IM schematisch weergegeven met drie spoelen. Deze spoelen zijn aangesloten op een wisselstroom. Dit houdt in dat de polen van de magneetvelden die ontstaan in de spoelen steeds wisselen, omdat de stroom steeds van richting wisselt. Er valt na te gaan dat wanneer de op wisselstroom aangesloten spoelen zo gearrangeerd worden als in de iguur, er een roterend magneetveld zal ontstaan. De rotor bevat metalen spaken. Het roterende magneetveld zorgt er door middel van inductie voor dat er een stroom gaat lopen in de metalen spaken. Deze stroom zal
vervolgens resulteren in een Lorentzkracht (zie Figuur 7 ) en de rotor zal gaan draaien. De rotor zal altijd net iets langzamer draaien dan het magneetveld. Het verschil in de rotorsnelheid en de magneetveld‑snelheid wordt “slip” genoemd. Een hogere slip gaat gepaard met een lagere ef iciëntie.
Figuur 6: Schematische weergave van een IM met 3 spoelen die zich in de stator rondom de met spaken gevulde rotor bevinden.
Figuur 7: Richting van een Lorentzkracht F bij een stroom I in een spaak en een aanwezig magneetveld B.
De IM wordt vandaag de dag het meest gebruikt omdat deze elektromotor relatief goedkoop is, ef iciënt genoeg (IE 3, Premium Ef iciency) is en voldoende vermogen levert om auto’s met de juiste snelheid te laten deelnemen aan het verkeer (Kumar & Revankar, 2017).
Bij een PMHM is de rotor een permanente magneet en bevinden de spoelen zich in de stator. De SRM bevat ook een stator met spoelen, maar de rotor is van metaal. Het artikel van Kumar & Revankar (2017) vertelt ons echter dat de PMBLDCM de beste keuze is bij elektrisch rijden. Daarom wordt in het vervolg alleen deze motor besproken. In Figuur 8a is de PMBLDCM schematisch weergegeven. De rotor is een permanente magneet en bevindt zich aan de buitenzijde van de stator. De buitenkant van de stator bestaat uit verschillende spoelen (in de iguur zijn dit er 6, in een elektrische auto zullen dit er meer zijn). Deze spoelen kunnen individueel onder stroom gezet worden. Wanneer dit gebeurd
zorgt het magnetische veld van de spoel ervoor dat de magnetische pool van de rotor wordt aangetrokken in de richting van de spoel. Als bijvoorbeeld spoel A uit de iguur onder stroom gezet wordt, zorgt dit ervoor dat het magnetische noorden van de rotor zich richting spoel A beweegt. Op hetzelfde moment wordt spoel D onder stroom gezet, maar dan met een stroom in tegengestelde richting. Het magneetveld van deze spoel is nu ook omgekeerd ten opzichte van het magneetveld van spoel A en het magnetische zuiden van de rotor beweegt zich dan richting spoel D. Hoe de spoelen onder stroom staan en wat dit doet met het magnetische veld van de spoelen is schematisch weergegeven in Figuur 8b . Na het aantrekken van de rotor draait de stroom in de spoelen weer om, zodat de rotor weer wordt afgestoten. Wanneer de spoelen in de elektromotor op het juiste moment onder stroom gezet worden, zorgt dit voor een continue beweging van de rotor.
Figuur 8: a) Schematische weergave van een PMBLDCM met 6 spoelen. b) Schematische weergave van de stroomrichtingen en magneetvelden van twee complementaire spoelen in een PMBLDCM ( www.learnengineering.com ).
Volgens Kumar & Revankar heeft de PMBLDCM een hogere ef iciëntie dan de IM (namelijk IE 4, Super Premium Ef iciency). De motor maakt minder geluid, heeft minder onderhoud nodig en gaat langer mee. Ook treedt er geen slip op in de PMBLDCM, omdat er geen sprake is van een roterend magneetveld. Nadeel is wel dat dit type motor duurder is dan de IM. Dit weerhoudt veel autofabrikanten ervan om de motor te gebruiken. In Figuur 9 worden de genoemde motoren vergeleken in een schema.
De ef iciëntie van iedere elektromotor kan iets omhoog worden gehaald door middel van “regenerative braking”. Wanneer de elektrische auto rijdt, wordt elektrische energie via de elektromotor omgezet in mechanische energie die wordt doorgevoerd naar de wielen. Als er
vervolgens geremd wordt, kunnen de wielen hun mechanische energie weer via de elektromotor omzetten in elektrische energie die vervolgens weer opgeslagen kan worden in de batterij (Yoong et al., 2010).
Figuur 9: Vergelijking van de leidende motortechnieken in elektrisch rijden. Hierin zijn de verschillende parameters gescoord van het cijfer 1 t/m 10 (Satyendra Kumar & Revankar, 2017).
3.2.2. Accupakket
Lithium‑ion (Li‑ion) batterijen worden vandaag de dag voornamelijk gebruikt in veel technologische producten, waaronder elektrische auto’s. De elektrodes in dit type batterij bevatten lithium en het elektrolyt bevat lithium‑ionen (zie Figuur 10 ). Dit houdt in dat wanneer de batterij wordt opgeladen, dat de Li + ‑ionen zich door het elektrolyt verplaatsen van de kathode naar de anode en andersom wanneer energie aan de batterij wordt onttrokken. Li + ‑ion batterijen laden snel, hebben een hoge energiedichtheid, zijn milieuvriendelijker dan veel andere batterijen, hebben een lange levensduur, zijn veilig en kunnen een hoog vermogen leveren. Aan de andere kant zijn de batterijen duur en verliezen zij veel capaciteit met de tijd (Etacheri et al., 2011). Deze batterij degradatie is een voornaamste reden om opzoek te gaan naar een duurzamer alternatief.
Volgens Kelder (pers. comm., 2017) moet er in de nabije toekomst gedacht worden aan bijvoorbeeld lithium‑zwavel batterijen. In Li‑S batterijen reageren de Li + ‑ionen met de S 2‑ ‑ionen die zich in de kathode bevinden (Bruce et al., 2012). Door het gebruik van zwavel blijft de batterij licht en is de energiedichtheid van de batterij hoger dan bij Li‑ion batterijen. Volgens Urbonaite et al. (2015) is de Li‑S batterij nog niet gecommercialiseerd vanwege de bouwtechnische problemen van de batterij. De batterij is namelijk zeer gevoelig voor kleine afwijkingen in bepaalde parameters. Er is dan ook nog geen Li‑S batterij die langer meegaat en meer energie kan dragen dan de Li‑ion batterij.
Figuur 10: Schematische weergave van de ontlading van een Li‑ion batterij (Bruce et al., 2012).
In de verre toekomst moet er gedacht worden aan Zn‑Air en Li‑Air batterijen. De Zn‑Air batterij bevat een anode van zink, en de Li‑Air batterij bevat een anode van lithium. Beide types batterijen bevatten een kathode die lucht bevat. Volgens Lee et al. (2011) zijn de elektrochemisch prestaties van de batterijen veelbelovend. De batterijen hebben een hoge energiedichtheid en kosten weinig. Li‑Air batterijen zijn minder stabiel dan Zn‑Air batterijen en moeten geproduceerd worden in een inerte omgeving, wat de productie moeilijker maakt. De Zn‑Air batterij is goedkoper en is daarom dichter bij praktische toepassing dan de Li‑Air batterij. De chemische reactie die zich bij ontlading afspeelt in de Zn‑Air batterij is echter moeilijk terug te draaien, wat het opladen van de batterij in de weg zit. De Li‑Air batterij heeft hier geen last van. Daarnaast heeft de Li‑Air batterij een hogere potentiaal en capaciteit. Men boekt veel vooruitgang met de “Air‑Batteries”, maar er zijn nog veel vragen. Zo is nog niet duidelijk of het gebruik van de batterij volkomen veilig is (lithium reageert explosief met water). Volgens Ottakam et al. (2013) is het vinden van een geschikt materiaal voor de kathode van de Li‑Air batterij de grootste uitdaging. Het materiaal voor de kathode moet aan zoveel eisen voldoen dat Mulder (pers. comm., 2017) niet gelooft dat dit type batterij ooit gerealiseerd gaat worden. Volgens Het artikel van Armand & Tarascon (2008) vertelt dat het in de zeer verre toekomst mogelijk wordt om Li‑Organic batterijen te produceren. Organische materialen worden dan gebruikt als elektrodes.
In Figuur 11 hieronder worden de genoemde batterijen met elkaar vergeleken. De ZEBRA batterij staat ook in de tabel verwerkt. Dit is een variant van de natrium‑zwavel (NaS) batterij die is ontwikkeld door de Zero Emissions Batteries Research Activity (Gerssen‑Gondelach & Faaij, 2012). Deze batterij hebben wij verder niet genoemd, omdat deze onder doet voor de Li‑ion batterij wanneer het gaat om elektrisch rijden. Dit is dan ook te zien in de tabel. Bij de vergelijking wordt geen rekening gehouden met het volume en gewicht van ieder type batterij.
3.2.3. Software
3.2.3.1. Intelligent Transport Systems Het ontwikkelen van de software van de elektrische auto kan leiden tot een hogere actieradius. Om te beginnen zijn er de Intelligent Transportation Systems (ITS). Dit zijn systemen die toepassingen uit de communicatie‑ en informatietechnologie in voertuigen gebruiken om wegverkeer onder andere veiliger, duurzamer en ef iciënter te maken (Nkoro & Vershinin, 2014). Bij het ef iciënter maken van het wegverkeer worden dus software toepassingen gebruikt om de optimale actieradius te verkrijgen. De werking van veel van deze toepassingen berusten op resultaten van de analyse van grote hoeveelheden data (Miles & Walker, 2006). Kunstmatige Intelligentie wordt gebruikt om vanuit de data effectieve voorspellingen te kunnen doen.
De Adaptieve Cruise Control (ACC) is een voorbeeld van een ITS dat bij een elektrische auto voor een verbetering van de actieradius kan zorgen. Adaptieve Cruise Control kan worden gezien als een upgrade versie van de conventionele Cruise Control. Waar er bij Cruise Control enkel een bepaalde rijsnelheid vastgehouden kan worden; is bij de Adaptieve Cruise Control de snelheid automatisch variabel in plaats van constant. Een auto uitgerust met Adaptieve Cruise Control heeft meerdere optische sensoren die afstand tot bepaalde objecten in de omgeving meten. Zo’n object is bijvoorbeeld een voorganger. Het ACC meet de afstand tot de voorganger en de snelheid die de voorganger en “eigen” auto rijdt. Deze gegevens worden door middel van een intelligent
Figuur 11: Batterijprestaties voor de korte, gemiddelde en lange termijn (2015 ‑ 2025 ‑ na 2025) (Gerssen‑Gondelach & Faaij, 2012). algoritme geëvalueerd en zo wordt bepaalt of de eigen auto moet afremmen, acceleren of met de huidige snelheid door kan blijven rijden (de output). De software die deze gegevens evalueren en aansturen tot de gewenste handeling, worden verkregen door middel van “Machine Learning” algoritmes (Zhao et al., 2014). Hiervoor worden “Dynamic Programming” algoritmes gebruikt, omdat dit type algoritme een korte computationele tijd kent. De computationele tijd van het algoritme bij software achter het Adaptieve Cruise Control systeem is een belangrijke factor. Dit omdat het systeem op hoge snelheden binnen fracties van secondes een juiste output moet genereren om botsingen te doen voorkomen. De reden dat de ACC hier wordt genoemd komt doordat het rijden met ACC voor een optimaal vloeiend acceleratie‑ en deceleratie patroon zorgt. Wanneer een bestuurder in een auto rijdt zonder ACC zal hij/zij minder ef icient, en wellicht onnodig, remmen of optrekken bij het rijden achter een voorganger. Hier gaat dus energie aan verloren. De software achter het ACC zorgt ervoor dat er enkel wordt geremd of opgetrokken wanneer echt nodig is en rijdt daardoor zuiniger. Los van het voordeel dat ACC het rijden ef iciënter maakt is het ook een systeem dat voor een verhoogde verkeersveiligheid zorgt. Vanwege dat reeds veel auto’s al conventionele over Cruise Control beschikken is de overgang naar een bredere implementatie van de Adaptieve Cruise Control een transitie worden gezien als een relatief makkelijke transitie die voor een grotere actieradius zorgt.
In een onderzoek van Mahler & Vahidi (2014) wordt een ITS geïntroduceerd dat voor communicatie tussen stoplicht en voertuig zorgt. Dit zorgt dan voor ef iciënter rijgedrag en dus een grotere actieradius. Bij dit ITS werd een plan uitgewerkt om elektrische auto’s ef iciënter door de stad te laten rijden waarbij de ef iciëntie wederom werd gehaald uit het voorkomen van onnodig menselijk remmen of optrekken. Waar het vorige systeem voornamelijk is bedoeld voor het rijden op hogere snelheden richt dit onderzoek zich op snelheden waarmee binnen de bebouwde kom wordt gereden. De theorie hierbij is dat auto’s niet
ef iciënt door de stad rijden omdat een bestuurder niet weet wanneer een stoplicht op rood of groen gaat. Hard optrekken naar een stoplicht dat bij het naderen op rood springt, of afremmen terwijl het stoplicht bij het naderen plotseling op groen speelt zorgt voor energieverlies van de auto. Om dit te verminderen wordt er een communicatienetwerk gemaakt tussen de voertuigen en de stoplichten. De software in de auto bepaalt dan wat optimale snelheid is die gereden moet worden gereden om vloeiend door groen te blijven rijden, zonder dat er veel optrekken of afremmen nodig is. Het systeem uit dit onderzoek haalde in tests een resultaat van minstens 6% energiebesparing (Mahler & Vahidi, 2014).
Naast het automatisch beïnvloeden van de snelheid met een ITS om zuiniger rijden te veroorzaken kan een ITS ook worden toegepast om auto’s effectief te kunnen opladen. Wanneer er op dit moment in theorie alle auto’s elektrische auto’s zijn, zullen er problemen ontstaan bij het opladen van de auto. In de praktijk kan men namelijk verwachten dat forensen overdag de auto gebruiken om naar het werk te gaan en de auto bij thuiskomst (in de avond) weer zullen opladen. Het energienet kan de piekbelasting van massale elektriciteit aanvraag mogelijk niet aan en auto’s zullen hierdoor niet altijd volledig opgeladen kunnen worden (Galus et al., 2012). Dit zal veroorzaken dat de effectieve actieradius van de auto bijna altijd lager zal zijn dan de theoretische actieradius. Een slim oplaadschema voorkomt dit probleem. Dit laadschema komt tot stand door navigatiegeschiedenis van autobezitters te analyseren en zo te bepalen hoever iemand waarschijnlijk zal gaan rijden na het opladen (Galus et al., 2012). Deze informatie wordt naar het netwerk gestuurd waarop de laadpalen zullen zijn aangesloten. Als iemand dan zijn auto aan een laadpunt aansluit zal worden bepaald tot welk niveau opladen noodzakelijk is om de volgend voorspelde bestemming te bereiken. Praktisch gezien werkt het als volgt: Persoon A en B werken van 9:00 tot 17:00 en hebben een elektrische auto waarmee ze naar het werk gaan. Persoon A kan de auto op het werk opladen, persoon B niet. De afstand tot het werk is voor persoon A 50 km en voor B 100 km. Het algoritme van het laadschema zal bepalen dat de auto van persoon A in de nacht voor 50% wordt opgeladen en die van B volledig. De auto van A zal dan op het werk wederom 50% worden opgeladen om weer terug te kunnen. B kan nog met de “oude” lading naar huis. Door dit slimme oplaadschema wordt de energie beter te verdeeld en zal er geen verlaging zijn van de effectieve actieradius door piekbelasting.
3.2.3.2. Battery Management System Het tweede onderdeel waarin software kan zorgen voor optimalisatie van de actieradius is het Battery Management System. De kerntaken van het BMS zijn zorgen voor communicatie tussen de elektromotor en de accu waarbij een zo ef iciënt als mogelijke energieoverdracht wordt nagestreefd en het beschermen, operationeel houden en voorspellen van de levensduur van de batterij (Pattipati et al., 2008). Door continue monitoring door het BMS van de batterij wordt voorkomen dat de accucellen ongebalanceerd ontladen of dat er te veel vermogen wordt vrijgemaakt terwijl dat niet nodig is. Een ander facet van het BMS waar momenteel veel onderzoek naar wordt gedaan is het aanbieden van intelligente drive modes. Zo biedt BMW de “ECO‑PRO” mode aan. Wanneer men deze modus gebruikt zullen door software de rijkarakteristieken van het gas en rempedaal worden beïnvloed, zodat bijvoorbeeld de acceleratiekracht wordt gedempt en bij normaal remmen er gebruik wordt gemaakt van regenerative braking (zie paragraaf 3.2.1. ) (Ramsbrock et al., 2013). In verder onderzoek verwacht men met behulp van de combinatie GPS data en snelheidsgegevens van medeweggebruikers aan de bestuurder tips te geven over wat de ef iciëntste snelheid is om te rijden op een bepaald tracé, waardoor de resulterende energiebesparing voor een langere actieradius zal zorgen (Dib et al., 2014).
3.3. Economische positie
Hedendaags zijn mensen steeds meer opzoek naar duurzame manieren van vervoer. Dit blijkt onder andere uit de toenemende vraag naar elektrische auto’s ( Mckinsey & Company, 2017) . Ondanks het feit dat men steeds bewuster wordt van de noodzaak van een duurzamer leven is de elektrische auto industrie nog een grote stap verwijderd om marktleider te worden op de automarkt (van der Zwaan, pers. comm., 2017). Er zal nu worden besproken in wat voor economische positie de elektrische auto zich bevindt en wat de verandering van de actieradius te weeg zou kunnen brengen.
3.3.1. De huidige economische stand
Om te onderzoeken in hoeverre investeren in de actieradius rendabel is moet er gekeken worden naar de huidige en toekomstige economische positie. De economische positie is de situatie waarin een product zich bevindt op het gebi ed van concurrent ie, marktaandeel, vraag en aanbod. Volgens “The Invisible Hand theorie” van Adam Smith zal er omtrent een goed altijd een
marktevenwicht ontstaan, hierbij komt het aanbod gelijk te staan aan de vraag. Het doel voor de markt van elektrische auto’s is om zoveel mogelijk consumenten van de totale automarkt naar zich toe te trekken. Er bestaat namelijk een positief verband tussen de grote van het marktsegment van de elektrische auto en de economische positie ( Mckinsey & Company, 2017) . Door het analyseren van deze zogenoemde economische positie kan er een beeld gevormd worden van de mogelijke toegevoegde waarde van een hogere actieradius.
De c oncurrentiepositie, een belangrijk onderdeel van de economische positie, kan in kaart worden gebracht door te kijken naar consumenten‑ voorkeuren en de grootte van het marktaandeel van de elektrische auto. Egbue & Long (2012) hebben in hun onderzoek gekeken naar deze consumentenvoorkeur omtrent elektrische auto’s. In Figuur 12 zijn de voorkeuren van mannen en vrouwen te zien.
Figuur 12: Deze tabel bevat de uitslag van een enquête onderzoek waarbij o.a. de interesse naar een elektrische auto werd onderzocht met 581 deelnemers. Links zijn mannen (tweede kolom) en rechts zijn vrouwen (derde kolom)(Egbue & Long, 2012).
Uit dit onderzoek kan worden afgeleid dat onder de huidige omstandigheden voor de aanschaf van een elektrische auto een percentage van minstens 30% (high interest) zou overwegen om over te stappen op een elektrische auto. Dit percentage komt ook overeen met de bevindingen van Mckinsey & Company (2017) .
De grootte van het marktaandeel van de elektrische auto industrie speelt een belangrijke rol voor de concurrentiepositie van de elektrische auto. Wanneer de verkoop van elektrische auto’s stijgt ten opzichte van conventionele auto’s zal het marktaandeel stijgen. Deze stijging brengt diverse voordelen met zich mee, zoals; schaalvoordeel op productieniveau, schaalvoordelen op marketing gebied, stimulatie van technologische ontwikkelingen en grotere invloed op de prijs (Mankiw, 2014) . De belangrijkste twee vormen van schaalvoordelen zijn de daling van de constante kosten door een toename in productie en dat
individuele takken (bedrijven) meer kunnen pro iteren van de inspanning van de industrie al geheel (2014). De groei van de elektrische auto industrie neemt ook meer concurrentie binnen deze branche met zich mee, omdat er meer winstmogelijkheden ontstaan zullen bedrijven van buitenaf zich in deze branche willen vestigen. Dit zal leiden tot een stimulatie van technologische ontwikkelen, omdat bedrijven zich zullen willen onderscheiden van de concurrentie (Dijk & Yarime, 2010). Een ander belangrijk voordeel van de stijging van het marktaandeel is dat, volgens de theorie van Abba Lerner, deze stijging zal leiden tot een grotere invloed van de elektrische auto industrie op het gemiddeld prijsniveau van een auto. Wanneer de elektrische auto industrie groeit zal de gemiddelde prijs van auto’s steeds dichterbij de prijs van een elektrische auto gaan liggen met als gevolg dat de concurrentiepositie verbeterd (Onderstal, 2014).
Volgens een analyse over 2016 van Rijksdienst voor Ondernemend Nederland bestond het toegenomen aantal auto’s in 2016 voor 6,4% uit elektrische auto’s. Dit percentage geeft een duidelijk beeld van het marktaandeel van elektrische auto’s in 2016. Het zal waarschijnlijk nog minimaal 10 jaar duren voordat meer dan 10% van de auto’s die rondrijden geheel elektrisch zijn en daarmee substantieel bijdragen aan de verduurzaming van de transportsector (van der Zwaan, pers. comm., 2017).
3.3.2. Het verband met de actieradius
Om de economische positie van de elektrische auto te doen verbeteren moet er onderzocht worden wat de knelpunten zijn voor de aanschaf van een elektrische auto. Uit de onderzoeken van E gbue & Long (2012) en Mckinsey & Company (2017) blijkt dat, los van de aanschafprijs, de actieradius als grootste hindernis wordt gezien voor de aanschaf van een elektrische auto. De uitkomsten van het onderzoek van E gbue & Long (2012) zijn terug te zien in Figuur 13 .
De elektrische auto is een stuk goedkoper in verbruik dan een conventionele auto (Pearre et al., 2011). Dit is een belangrijke reden dat relatief veel elektrische auto bezitters en potentiële kopers voor een elektrische auto zouden kiezen (Plötz et al., 2014). Als deze mensen dit voordeel maximaal zouden willen benutten is een lage actieradius zeer
nadelig. De kosten die bespaart worden met elektrisch rijden wegen in veel gevallen namelijk niet op tegen de nadelen van een lage actieradius. Nadelen zoals; aan het vaker moeten opladen, de tijd om plekken te moeten vinden om op te laden en de moeite om deze twee op elkaar af te laten stemmen (2014).
Figuur 13: Deze tabel bevat de uitslag van een enquête onderzoek waarbij o.a. de grootste zorgen van een elektrische auto werden onderzocht met 481 deelnemers (Egbue & Long, 2012).
3.3.3. Verklaring van dit verband
Zoals in de inleiding is genoemd rijdt de gemiddelde elektrische auto ongeveer 150 kilometer op een volle accu waar een gemiddelde benzineauto ongeveer 650 kilometer rijdt op een volle tank (CBS & RDW, 2017). Om te zorgen dat een vergroting van de actieradius een positieve invloed heeft op de verkoop van de elektrische auto zou de gemiddelde actieradius moeten worden vergroot tot minimaal 300 kilometer (Weiss et al., 2016). Pas dan zal aan de behoeftes van de gemiddelde autobestuurder worden voldaan. Wanneer aan deze voorwaarde is voldaan zal de elektrische auto beter kunnen concurreren met de conventionele auto. Dit zal als gevolg hebben dat de vraag naar elektrische auto’s zal stijgen en op zijn beurt zal dit weer positieve gevolgen voor de productie met zich mee brengen (Mankiw, 2014). De kettingreactie van deze activiteiten zorgt voor de verbetering van de economische positie van de elektrische auto. In paragraaf 3.3.1. is uitgebreid besproken waarom een verandering van deze activiteiten een positieve invloed kan hebben op de economische positie. De vergroting van de actieradius van de elektrische auto zal dus tot een zeker punt bijdragen aan de verbetering van de economische positie van de elektrische auto.
4. Resultaten
In dit hoofdstuk worden de antwoorden op de deelvragen geformuleerd. Deze antwoorden kunnen worden gevonden met behulp van de informatie die gegeven is in het theoretisch kader.
4.1. Deelvraag 1
“Welke onderdelen binnen de elektrische auto dragen bij aan de actieradius?”
Er zijn veel componenten binnen de elektrische auto die bijdragen aan de actieradius. De onderdelen die voornamelijk bijdragen aan de actieradius zijn de elektromotor, het accupakket, de Intelligent Transportation Systems (ITS) en het Battery Management System (BMS). Gewicht speelt bijvoorbeeld ook een rol, maar dit valt weer terug te leiden naar de batterij (die de auto vaak zwaar maakt). Rolweerstand en stroomverbruik binnen de auto zijn geen problemen speci iek voor de elektrische auto, maar meer voor de auto in het algemeen.
4.2. Deelvraag 2
“Hoe kunnen deze onderdelen zich verder ontwikkelen?” Bij de elektromotor wordt momenteel aangevoerd door de IM. De IM is relatief goedkoop en volstaat voor de huidige elektrische auto’s. De kracht en ef iciëntie van de IM is hoog in vergelijking met de conventionele motor. Dit betekent niet dat er geen ruimte is voor verbetering. De PMBLDCM is duurder, maar steekt met kop en schouders boven de IM uit. De kosten zijn het voornaamste probleem bij de elektromotor.
In het accupakket wordt momenteel voornamelijk de lithium‑ion batterij gebruikt. De lithium‑ion batterij laadt snel, is zeer ef iciënt, veilig, en heeft een hoge energiedichtheid. De batterijen zijn echter duur en vanwege de snelle batterij degradatie niet duurzaam. Alternatieven als lithium‑zwavel, zink‑lucht, lithium‑lucht zijn in ontwikkeling, maar nog niet werkzaam. Problemen zijn capaciteit, kosten, degradatie en stabiliteit. Daarnaast moet de batterij bouwtechnisch niet te ingewikkeld zijn. Opvallend is wel dat de meest veelbelovende batterijen gebruik maken van lithium. Er zijn nog geen directe concurrenten voor lithium. Dit komt waarschijnlijk door het gewicht (atoomnummer 3) en de hoge elektrodepotentiaal van het metaal.
Met ITS is het mogelijk om ef iciënter te gaan rijden en daardoor een langere actieradius te verwezenlijken. Systemen zoals de Adaptieve Cruise Control, stoplicht communicatie en intelligente oplaadschema’s zijn op dit moment toepassingen die hiervoor gebruikt kunnen worden. Met optimalisatie van de software binnen het BMS kan worden gezorgd dat de accu langer goed blijft
en optimale prestaties kan leveren. Tevens kunnen hierbij “drive modes” worden gebruikt die zorgen dat de auto energiezuiniger rijdt.
4.3. Deelvraag 3
“Wat is het verband tussen de grootte van de actieradius en de economische positie van de elektrische auto en hoe kan dit verband worden verklaard?”De actieradius heeft een positieve invloed op de economische positie van de elektrische auto. De actieradius van de elektrische auto zou moeten worden vergroot tot minimaal 300 kilometer om aan de behoeftes van de gemiddelde autobestuurder te voldoen. Wanneer aan deze voorwaarde is voldaan zal de elektrische auto beter kunnen concurreren met de conventionele auto. Dit zal als gevolg hebben dat de vraag naar elektrische auto’s zal stijgen en op zijn beurt zal dit weer positieve gevolgen voor de productie met zich mee brengen. De kettingreactie van deze activiteiten zorgt voor de verbetering van de economische positie van de elektrische auto.
5. Discussie
Om de uiteindelijke conclusie te relativeren moeten er nog een aantal opmerkingen gemaakt worden bij de in het vorige hoofdstuk genoemde resultaten. In het onderzoek is een belangrijke aanname gedaan, namelijk dat de gemiddelde prijs van de gemiddelde nieuwe elektrische auto even hoog is als die van de gemiddelde nieuwe conventionele auto. Er wordt geen rekening gehouden met de prijs, terwijl prijs en actieradius nauw met elkaar verbonden zijn. Zo wordt de batterij ontwikkeld om de actieradius te vergroten, maar mag deze batterij niet te veel kosten om de prijs van de auto laag te houden. Zo wordt beweerd dat de prijs van batterijen minstens moet halveren om de elektrische auto te laten concurreren met de conventionele auto (Watanabe, 2017). Het onderzoek en de technologie die kunnen zorgen voor een vergroting van de actieradius zullen daarnaast ook kosten met zich mee brengen. De vraag is dan of bij het vergroten van de actieradius de baten groter zijn dan de lasten.
Ook worden in het onderzoek hybride en andere onconventionele auto’s buiten beschouwing gelaten. Wellicht biedt de toekomst voor deze categorie meer kansen en zou het kunnen zijn dat de elektrische auto weg wordt geconcurreerd door bijvoorbeeld een auto die op waterstof rijdt.
Er is ook een mogelijkheid dat in de nabije toekomst de actieradius veel minder invloed zal hebben op de keuze bij de aanschaf van een elektrische auto. Deze gedachte komt voort uit een steeds vaker voorkomend fenomeen, namelijk “carsharing”. Carsharing houdt in dat meerdere mensen dezelfde auto’s gebruiken door middel van een digitaal platform. Wanneer dit concept zo ontwikkeld is dat opgeladen beschikbare auto’s precies aansluiten op de lege elektrische auto’s, is een grote actieradius veel minder van belang (Hoekstra, pers. comm., 2017). Naast carsharing bestaat er nog het concept van autonoom rijden, waarbij auto’s compleet zelf rijden. Auto’s zullen dan ook continu data met elkaar uitwisselen en hun rijstijl hierop aanpassen. Zowel het concept van carsharing als het concept van autonoom rijden zullen het belang bij het vergroten van de actieradius beperken.
Zolang deze concepten nog niet van toepassing zijn, zullen openbare laadpalen het belangrijkste punt zijn om tussentijds op te laden. Het toenemend aantal laadpalen zorgt er ook voor dat een lagere actieradius een minder groot nadeel is. Wanneer het makkelijker is om op te laden zal een grotere actieradius minder van belang zijn.
Tot slot moet genoemd worden dat er bij dit onderzoek geen kwanti iceerbare data beschikbaar was. Wij kunnen niet zien hoe de ontwikkelingen van bepaalde onderdelen exact invloed hebben op de actieradius van de elektrische auto. Wij kunnen vertellen hoe een onderdeel in theorie ontwikkeld kan worden, maar tot deze ontwikkeling plaatsvindt weten wij niet met welke mate de actieradius zal stijgen. De praktijk zal ons dat in de toekomst moeten vertellen.
6. Conclusie
Er kan geconcludeerd worden dat de actieradius van de elektrische auto geoptimaliseerd kan worden door ontwikkelingen in de elektromotor, het accupakket, de Intelligent Transportation Systems en het Battery Management System. Om te concurreren met de conventionele auto moet de gemiddelde actieradius minstens worden vergroot tot 300 kilometer. Vanaf dat moment wordt de actieradius niet meer gezien als een beperking van elektrisch rijden. Men kan dan kijken naar andere beperkingen zoals bijvoorbeeld de prijs en oplaadmogelijkheden van de elektrische auto.
7. Referenties
Armand, M. & Tarascon, J.M. (2008). Building better batteries: Researchers must ind a sustainable way of providing the power our modern lifestyles demand. Nature , 451 (7), 652‑657.
Barron, M. B., & Powers, W. F. (1996). The role of electronic controls for future automotive mechatronic systems. IEEE/ASME Transactions on mechatronics , 1 (1), 80‑88.
Bruce, P.G., Freunberger, S.A., Hardwick, L.J. & Tarascon, J.M. (2012). Li–O 2 and Li–S batteries
with high energy storage. Nature Materials , 11 (1) , 19‑29.
Dib, W., Chasse, A., Moulin, P., Sciarretta, A., & Corde, G. (2014). Optimal energy management for an electric vehicle in eco‑driving applications. Control Engineering Practice , 29 , 299‑307.
Dijk, M. & Yarime, M. (2010). The emergence of hybrid‑electric cars: Innovation path creation through co‑ evolution of supply and demand. Technological Forecasting & Social Change 77 , 1371–1390.
Egbue, O. & Long, S. (2012). Barriers to widespread adoption of electric vehicles: An analysis of consumer attitudes and perceptions.
Energy Policy , 48 , 717‑729.
Etacheri, V., Marom, R., Elazari, R., Salitra, G. & Aurbach, D. (2011). Challenges in the development of advanced Li‑ion batteries: a review. Energy & Environmental Science , 4 (9), 3243‑3262.
Figuur 8 is alleen gebruikt ter illustratie en komt
van www.learnengineering.org .
Galus, M. D., Waraich, R. A., Noembrini, F., Steurs, K., Georges, G., Boulouchos, K., Axhausen, K.W. & Andersson, G. (2012). Integrating power systems, transport systems and vehicle technology for electric mobility impact assessment and ef icient control. IEEE Transactions on Smart Grid , 3 (2), 934‑949. Gerssen‑Gondelach, S.J. & Faaij, A.P.C. (2012).
Performance of batteries for electric vehicles on short and longer term. Journal of Power Sources ,
212 , 111‑129.
Hidrue, M.K., Parsons, G.R., Kempton, W. & Gardner, M.P. (2011) Willingness to pay for electric vehicles and their attributes. Resource and Energy Economics , 33 (3), 686‑705.
Interview met A.E. Hoekstra (2017). Expert op het gebied van “Automotive” en “Intelligent Systems”. Werkzaam op de Technische Universiteit Eindhoven.
Interview met Prof. Dr. B. van der Zwaan (2017). Expert op het gebied van “Economics”,
“Sustainable Energy Technology” en “International Relations”. Werkzaam op de Universiteit van Amsterdam.
Interview met Dr. E.M. Kelder (2017). Expert op het gebied van “Technische Natuurwetenschappen”, “Radiation, Science and Technology” en “Fundamental Aspects of Materials and Energy”. Werkzaam op de Technische Universiteit Delft.
Interview met Prof. Dr. F.M. Mulder (2017). Expert op het gebied van “Technische Natuurwetenschappen”, “Chemical Engineering” en “Materials for Energy Conversion & Storage”. Werkzaam op de Technische Universiteit Delft.
Lee, J.S., Kim, S.T., Cao, R., Choi, N.S., Liu, M., Lee, K.T. & Cho, J. (2011). Metal–Air Batteries with High Energy Density: Li–Air versus Zn–Air.
Advanced Energy Materials , 1 , 34‑50.
Li, Y., & Zhen, L. (2010). Battery management system. International Conference on Measuring
Technology and Mechatronics Automation
(ICMTMA) , 1 , 739‑741.
Mankiw, N. G. (2014). Macroeconomía. Antoni Bosch editor .
Mahler, G., & Vahidi, A. (2014). An optimal velocity‑planning scheme for vehicle energy ef iciency through probabilistic prediction of traf ic‑signal timing. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 15 (6), 2516‑2523.
McKinsey & Company (2014). Electric vehicles in Europe: gearing up for a new phase?
Amsterdam Roundtable Foundation.
McKinsey & Company (2017). Electrifying insights: How automakers can drive electri ied vehicle sales and pro itability. Advanced Industries .
Miles, J. C., & Walker, A. J. (2006). The potential application of arti icial intelligence in transport.
IEEE Proceedings‑Intelligent Transport Systems ,
153 (3), 183‑198.
Murphey, Y. L., Park, J., Chen, Z., Kuang, M. L., Masrur, M. A., & Phillips, A. M. (2012). Intelligent hybrid vehicle power control—Part I: Machine Learning of Optimal Vehicle Power. IEEE
Transactions on Vehicular Technology , 61 (8),
3519‑3530.
Nkoro, A. B., & Vershinin, Y. A. (2014). Current and future trends in applications of Intelligent Transport Systems on cars and infrastructure.
IEEE Transactions on Intelligent Transportation
Systems, IEEE 17th International Conference ,
514‑519.
Onderstal, S., Economics of Organizations and Markets, (2014). Pearson Benelux .
