Elektrische motoren en batterijen zijn aanzienlijk verbeterd op honderd jaar tijd, maar de elektrische auto’s van vandaag hebben een actieradius die – in het beste geval – gelijk is aan die van hun voorgangers aan het begin van de twintigste eeuw.
——————————————————————————————————–
|
// http://pagead2.googlesyndication.com/pagead/show_ads.js // http://pagead2.googlesyndication.com/pagead/show_ads.js |
——————————————————————————————————–
Geschiedenis van de elektrische auto
Van ongeveer 1895 tot het midden van de jaren 1920 deelden elektrische auto’s de weg met stoomauto’s en wagens met een verbrandingsmotor. Elektrische auto’s hadden toen al een relatief korte actieradius in vergelijking met de alternatieven. Maar gedurende een paar jaar waren ze de populairste optie, om twee redenen.
Ten eerste waren ze makkelijk te starten, terwijl een auto op benzine moest worden aangezwengeld en een auto op stoom veel tijd nodig had om op temperatuur te komen (enigszins vergelijkbaar met een houtgasauto).
Ten tweede waren er begin jaren 1900 weinig goede wegen buiten de stad, zodat het beperkte bereik van de elektrische auto niet echt een probleem vormde. De productie van elektromobielen piekte in 1912. Op dat moment reden er 30.000 elektrische voertuigen rond in de Verenigde Staten (waarvan 20.000 personenauto’s) en ongeveer 4.000 in Europa.
In 1912 had de auto op benzine al meer dan 90 procent van de markt ingepalmd. Auto’s met verbrandingsmotor waren sneller en konden grotere afstanden afleggen, niet alleen omwille van hun grotere actieradius maar ook omdat er meer tankstations voor benzine dan voor elektriciteit waren. Bovendien speelde de uitbreiding van het wegennetwerk in hun voordeel.
Auto’s met een verbrandingsmotor waren ook een stuk betaalbaarder geworden dan elektrische auto’s. In 1908 introduceerde Ford zijn aan de lopende band geproduceerde Model T, die twee tot drie keer goedkoper was dan een vergelijkbare elektrische auto, een prijsverschil dat de volgende jaren nog verder zou oplopen. In 1912 kwam de elektrische starter voor benzinevoertuigen op de markt, waarmee opnieuw een sterk verkoopargument van de elektrische auto verdween. Tot slot was rond die tijd benzine ook flink in prijs gedaald.
Het einde van de elektrische auto
Het enige voordeel dat overbleef was het feit dat de elektrische auto geen rook of lawaai produceerde – de reden waarom we hem vandaag terug willen. In 1914 kondigde Henry Ford aan dat hij een goedkope, aan de lopende band geproduceerde elektrische auto op de markt zou brengen, maar zover kwam het nooit.
In Europa verdwenen de laatste elektrische personenauto’s al tijdens de Eerste Wereldoorlog, in de Verenigde Staten overleefden ze tot op het eind van de jaren 1920. Elektrische vrachtwagens, waarover ik het een andere keer wil hebben, bleven nog iets langer succesvol.
De fabrikanten van elektrische auto’s maakten heel wat strategische fouten. Zo duurde het tot 1910 eer er een standaard werd ontwikkeld voor het opladen van de batterijen. Maar de belangrijkste reden voor het verdwijnen van de elektrische auto was de beperkte capaciteit van de batterij, waardoor zowel de snelheid als de actieradius beperkter was dan in het geval van een auto met verbrandingsmotor.
Toen en nu: actieradius 160 kilometer
Als de huidige supporters van elektrische auto’s een kijkje zouden nemen in de toenmalige verkoopbrochures van elektrische auto’s, staan hen een aantal verrassingen te wachten. Het snel opladen van batterijen (tot 80 procent van de capaciteit in slechts 10 minuten), de geautomatiseerde omwisseling van batterijen, publieke oplaadpalen, het volledige business plan van Better Place, in de wielen ingebouwde motoren, het terugwinnen van energie bij het remmen: het was er allemaal al aan het eind van de 19e of het begin van de 20ste eeuw. Het hielp niet.
Maar het opvallendst is de schijnbaar onbestaande technologische vooruitgang van de batterij. De Nissan Leaf en de Mitsubishi i-MiEV, twee elektrische wagens die dit jaar op de markt zouden moeten komen, hebben exact dezelfde actieradius als, bijvoorbeeld, de Fritchle Model A Victoria uit 1908 (illustratie hiernaast): 160 kilometer per laadbeurt.
De Fritchle was vooruitstrevend, maar een paar jaar later verschenen veel meer elektrische voertuigen met een actieradius van om en bij de 160 kilometer. Ik heb de Fritchle hier alleen maar gekozen omdat de specificaties ervan compleet zijn, en omdat zijn actieradius officieel werd geregistreerd.
De eerste elektrische personenwagens (1894 – 1900) hadden een actieradius van 30 tot 65 kilometer, nog altijd een stuk beter dan de actieradius van een paard (20 km). De tweede generatie elektrische auto’s (1901 – 1910) had al een actieradius van 80 tot 130 kilometer.
De derde generatie elektromobielen, waaronder grotere voertuigen die 5 personen konden vervoeren, raakte 120 tot meer dan 160 kilometer ver zonder de batterij te herladen – en dat is nog steeds het bereik van de elektrische auto van vandaag. (Zie de bronnenlijst voor de specificaties van individuele voertuigen uit het begin van de 20ste eeuw).
Actieradius per laadbeurt
De cijfers vertellen bovendien niet alles. In realiteit is de actieradius van de Nissan of de Mitsubishi nog een stuk beperkter dan die van de Fritchle uit 1908. Het bereik van die laatste werd (officieel) vastgelegd tijdens een 21 dagen durende tocht over een afstand van 2.900 kilometer, in de winter van 1908. Het volledig standaard uitgeruste voertuig reed in wisselende weers-, terrein- en wegomstandigheden (vaak slechte en modderige wegen). De gemiddelde actieradius per laadbeurt die over 21 dagen werd opgetekend was 145 kilometer, het maximum bereik 174 kilometer (bronnen: 1 / 2).
De actieradius van de Nissan en de Mitsubishi werd op een heel andere manier bepaald. Op een rollenbank in een overdekte ruimte, maar dat is niet het enige probleem. Beide fabrikanten baseren hun geadverteerde actieradius op de Amerikaanse “EPA City” cyclus, een test die een 22 minuten stadsrit simuleert aan een gemiddelde snelheid van 31,5 km/h, inclusief één versnelling tot 64 km/h gedurende niet meer dan 100 seconden.
Critici verwijten de constructeurs dat ze niet de zogenaamde “EPA Combined Cycle” actieradius adverteren, een test die naast de hierboven beschreven methode ook een rit op de snelweg simuleert. In tegenstelling tot een auto met een verbrandingsmotor is een elektrische auto een stuk zuiniger in de stad dan aan een constante, hogere snelheid op de snelweg. Een elektrische motor verbruikt geen energie als hij stilstaat in de file, en energie terugwinnen uit de remmen werkt uiteraard het best in het stadsverkeer.
Volgens de critici zou de actieradius volgens de “EPA Combined Cycle” nog maar zo’n 70 procent bedragen van wat er nu beweerd wordt. Dat zou het bereik van de doorsnee elektromobiel uit 2010 op hetzelfde niveau brengen als dat van, bijvoorbeeld, de Franse Krieger Electrolette uit 1901 (actieradius van 110 kilometer – illustratie rechts).
Maar zelfs de “EPA Combined Cycle” moet als een absolute bovengrens beschouwd worden. Om te beginnen is de test op de snelweg met een gemiddelde snelheid van 77 kilometer per uur verouderd. Vandaag ligt de snelheid op de autostrade vaak bijna twee keer zo hoog.
Ten tweede wordt de actieradius van een elektrische auto ook door andere factoren beïnvloed: niet alleen een agressieve rijstijl, maar ook het gebruik van de koplampen ’s nachts, het gebruik van verwarming of airco, het gebruik van andere opties aan boord, het rijden over heuvelachtig terrein of bij tegenwind, of al deze factoren samen. (Hetzelfde geldt overigens ook voor auto’s met een verbrandingsmotor: de officiële tests zijn, ook in Europa, weinig realistisch). Alles bij elkaar zal het bereik van een hedendaagse elektrische auto dus eerder 80 dan 160 kilometer bedragen.
Betere batterijen
Nochtans beschikken de elektrische auto’s uit 2010 over veel betere batterijen dan de elektrische auto’s uit 1908. De Fritchle had, net als alle andere elektrische voertuigen uit die tijd, lood-accu’s aan boord met een energiedichtheid van 20 tot 40 watt-uur per kilogram (begin jaren 1900 was dat slechts 10 tot 15 Wh/kg). De Nissan en de Mitsubishi maken gebruik van een lithium-ion batterij met een energiedichtheid van ongeveer 140 watt-uur per kilogram. De batterij van de huidige generatie elektrische auto’s kan dus per kilogram ongeveer 3,5 tot 7 keer meer energie opslaan dan de batterijen van de elektrische auto uit 1908.
Dat had kunnen leiden tot een voertuig met een actieradius die 3,5 tot 7 keer groter is (560 tot 1.130 km), maar dat is niet het geval. De technologische vooruitgang had ook vertaald kunnen worden in een 3,5 tot 7 keer lichtere (en kleinere) batterij, en dus ook een veel lichter en energiezuiniger voertuig, maar dat is evenmin het geval. De batterij van de Nissan Leaf is slechts 1,6 keer lichter dan de batterij van de Fritchle: 220 kilogram versus 360 kilogram. Het Nissan voertuig (inclusief de batterij) weegt meer dan de Fritchle: 1.271 kilogram versus 950 kilogram.
Motorvermogen, snelheid & acceleratie
Het opvallendste verschil tussen de specificaties van de oude en nieuwe auto’s is het vermogen van hun motoren. De Fritchle had een motor van 10 PK, de Nissan heeft een motor van 110 PK. Met andere woorden: de Nissan heeft evenveel motorvermogen als 11 Fritchle’s. De kleinere en lichtere Mitsubishi i-MiEV (1.080 kg) heeft het motorvermogen van 6,5 elektrische Fritchle’s.
De maximumsnelheid van de Fritchle bedroeg 40 kilometer per uur. De Nissan haalt 140 kilometer per uur en de Mitsubishi 130 kilometer per uur. Een vergelijking van het acceleratievermogen is niet mogelijk wegens een gebrek aan gegevens, maar het is duidelijk dat de moderne elektromobielen veel sneller accelereren (en veel makkelijker bergop kunnen rijden) dan hun voorgangers. Vandaag is het snelle acceleratievermogen zelfs een van de verkoopargumenten van elektrische voertuigen.
Een auto verbruikt 4 keer meer brandstof om twee keer zo snel te rijden, dus het lijkt voor de hand te liggen dat de hogere snelheid de reden is waarom de actieradius van moderne elektromobielen niet verbeterde ondanks het gebruik van veel betere batterijen. Maar het is ingewikkelder dan dat. De “EPA City” actieradius is gebaseerd op een gemiddelde snelheid van 31 kilometer per uur – onder de maximum snelheid van de Fritchle dus, en bijna precies gelijk aan de snelheid waarmee de auto uit 1908 een actieradius van 160 kilometer kon halen.
Hoewel hogere snelheden vanzelfsprekend een belangrijke factor zijn als we het hebben over de werkelijke actieradius van de moderne elektro-auto, kunnen ze het teleurstellende “officiële” bereik van de Nissan en de Mitsubishi dus niet verklaren. Het hogere acceleratievermogen kan een rol spelen, maar de hierboven beschreven testen houden geen rekening met een agressieve rijstijl. Er moet dus iets anders aan de hand zijn.
Elektrische auto’s en overgewicht
De eerste reden voor de teleurstellende actieradius is het gewicht. Hoewel de batterij van de Nissan lichter is dan de batterij van de Fritchle, is de Nissan inclusief de batterij 321 kilogram zwaarder dan de Fritchle. Zonder de batterij weegt de Nissan bijna twee keer zoveel als de Fritchle: 1.051 kilogram versus 590 kilogram. Dus hoewel batterijen op 100 jaar tijd drie keer lichter werden, verdubbelde het gewicht van de auto’s (zonder batterij).
Dat extra gewicht van de Nissan wist al een flink deel van de technologische vooruitgang uit: een 35 procent hogere massa (inclusief batterij) kan leiden tot een reductie van de actieradius met 28 procent (bronnen: 1 / 2).
De tweede factor is direct gerelateerd aan de enorme toename van het motorvermogen. Elektrische motoren zijn doorgaans het meest efficiënt op 75 procent van hun maximaal vermogen. Hun efficiëntie zakt als een pudding in elkaar onder de 25 procent. De Fritchle was dus het zuinigst bij een snelheid van ongeveer 32 km/h.
De veel krachtiger motor van de Nissan is het meest efficiënt bij een snelheid van ongeveer 105 km/h, dus ver boven de gemiddelde snelheid in de tests. Moderne elektrische auto’s verbruiken minder energie bij lagere snelheden dan bij hogere snelheden omwille van andere factoren, maar vergeleken met de elektrische auto’s van 100 jaar geleden zijn ze wellicht minder efficiënt bij snelheden rond de 30 kilometer per uur (bron – pdf).
Computers op wielen
De derde reden voor de beperkte actieradius is de elektronica. Moderne auto’s hebben, afhankelijk van het model, 30 tot 100 microprocessoren ingebouwd (bron). Deze computers voegen extra gewicht toe maar verbruiken ook energie op een rechtstreekse manier. Een deel van dit directe energieverbruik speelt geen rol in de EPA-tests – elektronisch bestuurde ramen en spiegels, bijvoorbeeld. Maar de rest van de elektronica wordt automatisch geactiveerd als het voertuig rijdt. Voorbeelden zijn rembekrachtiging, actieve ophanging, de instrumenten op het dashboard en het management van de batterij zelf (niet nodig bij een lood-accu maar een kritische toepassing voor lithium-ion batterijen). Al deze elektrische energie moet geleverd worden door de batterij.
Hoewel de hogere prestaties de relatief lage actieradius van moderne elektrische auto’s dus niet rechtstreeks kunnen verklaren, zijn alle hierboven beschreven factoren er tenminste gedeeltelijk een gevolg van. Lagere snelheden zouden de meeste veiligheidsgerelateerde elektronica overbodig maken en ze zouden komaf maken met de nood aan krachtiger motoren en grotere batterijen die, net als de elektronica, extra gewicht toevoegen.
Duurzame elektrische voertuigen – scenario 1
Er wordt momenteel enorm veel geld geïnvesteerd in de ontwikkeling van batterijen voor elektrische auto’s, met de bedoeling om de actieradius van elektrische auto’s veel groter te maken. De geschiedenis leert echter dat dit allesbehalve een garantie is voor succes. De komst van een revolutionaire batterij wordt al honderd jaar aangekondigd, maar ze is er nog steeds niet. Ondertussen wordt de reële, stapsgewijze vooruitgang steeds opnieuw opgeslokt door extra gewicht, extra prestaties en meer comfort.
Als we daarentegen de lithium-ion batterij van de Nissan Leaf in de Fritchle zou stoppen, zou de auto een actieradius hebben van 644 kilometer. Stop je er een lithium-ion batterij in met hetzelfde gewicht als dat van de Fritchle-batterij, dan heb je een actieradius van 1.127 kilometer. Voeg daarbij de vooruitgang die intussen is geboekt op het vlak van efficiëntere motoren en andere voertuigonderdelen en de actieradius van een gemoderniseerde Fritchle wordt nog een flink stuk groter.
Zelfs met de koplampen op, de verwarming aan, rijdend over winderige heuvels en op modderige wegen, zou zo’n elektrische auto nog altijd een veilige en comfortabele actieradius bieden, vergelijkbaar met die van een huidige auto met verbrandingsmotor. Zo’n automobiel zou bovendien minder energie verbruiken: de Fritchle consumeerde ongeveer 7 kWh per 100 kilometer, de Nissan Leaf tenminste 15 kWh/100 km.
Een betere actieradius is veel meer dan een gemak voor de bestuurder en de passagiers. Het zou ook betekenen dat we veel minder oplaadstations nodig hebben, wat de kosten en de ingebedde energie van de vereiste infrastructuur aanzienlijk zou verminderen. Tragere elektrische voertuigen zouden de komst van elektrische voertuigen op grote schaal dus heel wat realistischer maken. Bovendien hoeven we ze niet eens te stroomlijnen. Aan lage snelheden is aerodynamica geen belangrijke factor in het energieverbruik. Lage snelheden zijn uiteraard ook veel veiliger, niet alleen voor de inzittenden maar ook voor andere weggebruikers.
Duurzame elektrische voertuigen – scenario 2
Natuurlijk zal de overgrote meerderheid van de bevolking auto’s met een topsnelheid van 35 kilometer per uur met hoongelach onthalen. Het is echter de enige manier om de actieradius van elektrische auto’s uit te breiden. Lichtere auto’s bouwen volstaat niet. Dat wordt duidelijk aangetoond door een conceptvoertuig zoals de Trev. Die tekent gelijkaardige prestaties op als de Nissan Leaf (een topsnelheid van 120 km/h en een acceleratie van 0 tot 100km/h in minder dan 10 seconden), maar weegt slechts 300 kilogram.
Omdat de Trev veel lichter is dan de Nissan, verbruikt hij maar half zoveel energie: 6,2 kWh/100km, ongeveer evenveel als de Fritchle, tegenover minstens 15 kWh voor de Nissan. Maar de actieradius is evengoed beperkt tot 150 kilometer. De reden is uiteraard de veel lichtere batterij (45 kilogram), die een veel kleinere capaciteit heeft. Bij auto’s met een verbrandingsmotor heeft gewichtsvermindering een veel groter potentieel, omdat de brandstoftank maar erg weinig weegt in verhouding tot het totale gewicht van de auto.
Dat betekent niet dat lichtere elektrische auto’s een slecht idee zijn, integendeel: ze verbruiken minder energie en stellen bijgevolg ook minder hoge eisen aan de elektriciteitsinfrastructuur – zo wordt snelladen van de batterij een veel realistischer optie. Maar tenzij ook de snelheid van lichtere auto’s wordt teruggebracht, zullen ze nooit een betere actieradius halen dan de elektro-auto’s van honderd jaar geleden.
Als we snelle elektrische voertuigen willen, zullen we tevreden moeten zijn met een korter bereik. Als we elektrische auto’s met een groot bereik willen, zullen we tevreden moeten zijn met een lagere snelheid. Als we de (energie)kosten van de benodigde infrastructuur voor elektrische auto’s binnen de perken willen houden, zullen we moeten toegeven op snelheid of gewicht. De les die hieruit te leren valt, is dat we niet alles tegelijk kunnen hebben: zware, snelle elektromobielen met een grote actieradius. Nochtans is het precies dat wat we momenteel proberen te doen.
© Kris De Decker
Bronnen & specificaties van elektrische auto’s:
- “Horseless vehicles automobiles motor cycles operated by steam, hydro-carbon, electric and pneumatic motors“, Gardner Dexter Hiscox, 1901.
- “An illustrated directory of the specifications of all domestic and foreign motor cars and motor business wagons gasoline, steam, and electric sold in this country“, 1907.
- “The Electric Vehicle and the Burden of History
“, David A. Kirsch, 2000.
- “The Electric Vehicle: Technology and Expectations in the Automobile Age
“, Gijs Mom, 2004. Het boek verscheen oorspronkelijk in het Nederlands.
- “Histoire de la voiture électrique“, Philippe Boursin (website).
- “Motor cars; or, power carriages for common roads“, Alexander James Wallis-Tayler, 1897. Hoofdstuk over elektrische auto’s.
- “Court histoire de l’automobile électrique routière“, Bulletin de la Société d’Encouragement pour l’Industrie Nationale, July 1940 – June 1941.
- “Hawkins Electric Guide: questions, answers & illustrations – volume 9“, Frank D. Graham (1914). Hoofdstuk over elektrische voertuigen.
- “Salon de l’Automobile: les petites voitures“, La Nature, 1901.
- “Motor vehicles for business purposes; a practical handbook for those interested in the transport of passengers and goods“, A.J. Wallis-Tayler, 1905
- “Les voitures Electricia“, La Nature, 1901
- “Electric and Hybrid Cars: A History
“, Curtis Darrel Anderson & Judy Anderson, 2005
- “Tube, train, tram, and car; or up-to-date locomotion“, 1903
- “Alternatives to the gasoline automobile” (.pdf), in “The Steam Automobile”, Vol.17, No.1, 1975
- “Studebaker electric pleasure vehicles“
- “Baker electric vehicles“
- “Babcock Electrics“
- “Rauch & Lang Electric“
——————————————————————————————————–
Eindelijk: een levenscyclusanalyse van de elektrische auto
De allereerste volledige levenscyclusanalyse van een elektrische auto komt tot de conclusie dat de totale uitstoot van broeikasgassen nauwelijks kleiner is dan bij een auto met verbrandingsmotor. Dat valt niet zo op, omdat de ene helft van de uitstoot plaatsvindt tijdens de productie van de elektriciteit, en de andere helft tijdens de productie van de batterij en de auto zelf. De fabricatie van één elektrische auto veroorzaakt evenveel emissies als de fabricatie van twee auto’s met verbrandingsmotor. Lees meer: Eindelijk: een levenscyclusanalyse van de elektrische auto.
——————————————————————————————————–
De elektrische velomobiel: bijna even snel als de auto, maar 80 keer zuiniger
De velomobiel en de elektrische fiets zijn twee technologieën die de beperkte actieradius van de fietser vergroten — de eerste door het optimaliseren van de aerodynamica en de ergonomie, de tweede door de ondersteunende trapkracht van een elektrische motor gevoed door een batterij.
De elektrische velomobiel combineert beide benaderingen en drijft daarmee de actieradius van de fietser naar het toppunt. De fiets kan ook op langere afstanden de rol van de auto overnemen. Lees meer: De elektrische velomobiel: bijna even snel als de auto, maar 80 keer zuiniger.
——————————————————————————————————–
Meer verwante artikels:
- Waarom de elektrische auto geen toekomst heeft: hoeveel elektriciteitscentrales hebben we nodig als we onze auto’s op 10 minuten willen opladen?
- De velomobiel: hightech fiets of lowtech auto?
- Afscheid van het automobilisme: elektrische auto’s laten heel wat problemen veroorzaakt door auto’s met een verbrandingsmotor onopgelost: ze zullen evengoed in de file staan, hebben in vergelijking met andere vervoersmiddelen erg veel ruimte nodig, verdringen andere vormen van vervoer door hun invloed op de ruimtelijke ordening, en maken de openbare weg ongeschikt voor al wie niet aan het stuur zit.
- Trolleybussen en trolleytrucks: elektrisch transport voor een koopje
——————————————————————————————————–
|
// http://pagead2.googlesyndication.com/pagead/show_ads.js |
www.lowtechmagazine.be 
Plaats een reactie