elektrische auto

Er zal een klein wonder moeten gebeuren wil de productie van zeldzame aardmetalen de exploderende vraag bijhouden.

Rapport: hernieuwbare energie leidt tot schaarste metalen

5 reacties / Analyses, Techniek, Visionaire vragen, Wetenschap / Door / 12 april 2012

Olie is vervuilend en wordt schaars en duur. Overschakelen op alternatieve energiebronnen stuit volgens een MIT-onderzoek echter op een andere bottle neck: de zeldzame aardmetalen die nodig zijn voor bijvoorbeeld permanente magneten.

Zeldzame metalen voor wind
Windenergie is na waterkracht (die al bijna volledig benut wordt), althans op dit moment nog, de alternatieve energiebron met de hoogste EROEI. Dat wil zeggen, dat als je een joule energie in windenergie stopt, je er twintig joule voor terugkrijgt. Geen wonder dat je dus vooral in gematigde streken met veel wind, steeds meer windmolenparken vindt. Helaas is een onmisbaar onderdeel van windturbines, een permanente magneet met het zeldzame aardmetaal neodymium. Het element dysprosium is een essentieel element voor veel typen elektromotoren, zoals in sommige elektrische auto’s. Beide elementen zijn afkomstig uit zeer milieuonvriendelijke mijnbouwoperaties in China en lijken komende jaren schaars te worden. Analisten hopen overigens dat een grote mijn in Canada die nu wordt aangelegd soelaas kan bieden.

Er zal een klein wonder moeten gebeuren wil de productie van zeldzame aardmetalen de exploderende vraag bijhouden.
Er zal een klein wonder moeten gebeuren wil de productie van zeldzame aardmetalen de exploderende vraag bijhouden

Zware tekorten
In de studie werd gekeken naar tien “zeldzame aarden”, die op zich overigens niet heel erg zeldzaam zijn. De zeventien “zeldzame aarden” behoren tot dezelfde chemische groep, de zogeheten lanthaniden – die raadselachtige lange reeks vreemde elementnamen onderaan de periodieke systeemtabel -en worden gebruikt in bepaalde high-tech apparatuur, onder meer voor duurzame energievormen. Van deze tien zullen de twee genoemde, dysprosium en neodymium – ernstige tekorten vertonen. Dysprosium gaat de grootste problemen opleveren: de vraag gaat naat schatting met factor 26 toenemen in de komende kwart eeuw. De vraag naar neodymium zal met zevenhonderd procent stijgen. De reden: de buitengewone magnetische eigenschappen van beide materialen, waardoor er sterke lichtgewicht permanente magneten en batterijen mee kunnen worden geproduceerd. Een grote 3,5 MW windturbine bevat ongeveer 600 kg zeldzame aarden. Een benzineauto gebruikt ongeveer een halve kilogram aan zeldzame aarden, voornamelijk in de kleine elektrische motoren die bewegende onderdelen aandrijven, maar een elektrische auto met zijn accu’s en zware elektronotor factor tien meer.

Chinees monopolie
China produceert 98 procent van alle zeldzame aarden. Voor geen enkele andere commerciële grondstof is de aanvoer zo geconcentreerd. Historisch gezien groeide de productie nooit meer dan met twaalf procent per jaar, maar willen we snel op grote schaal over op elektrisch vervoer, dan is een veelvoud van deze groei nodig, zie grafiek. China beschikt over ongeveer de helft van de wereldreserves, ook de VS beschikt over aanzienlijke voorraden. Door de strenge milieu-eisen in de VS stopte de mijnbouw hier. In China is, zoals bekend, voor het regime het milieu niet echt een belangrijke overweging  – waarvoor de Chinese bevolking een afschuwelijke tol betaalt – wat China in staat stelde met goedkope, milieuonvriendelijke mijnbouwmethoden de Amerikaanse concurrentie van de markt te drukken. Door de schaarste en verbeterde mijnbouwtechnieken zal hier nu toch verandering in komen. Wat de zaak compliceert is dat zeldzame aarden doorgaans bijproducten zijn van andere metaalwinning. De productie is dan ook laag – van dysprosium bijvoorbeeld honderd ton per jaar.

Meer recycling
Wie het nieuws een beetje volgt, weet dat koper in bijvoorbeeld standbeelden nu al in hoog tempo wordt gerecycled door criminelen. De onderzoekers denken dat dit ook met de zeldzame aarden moet gebeuren. Op dit moment is recycling van zeldzame aardmetalen eerder uitzondering dan de regel. Deze luxe kunnen we ons niet meer permitteren, aldus de schrijvers van het rapport. Ook zullen we op zoek moeten gaan naar nieuwe bronnen voor het metaal. Op zich zit er voldoende erts in de grond voor decennia. De kunst is alleen de mijnbouwoperaties zo op te schalen dat we op tijd over dit metaal kunnen beschikken. Dat kost veel tijd, rond een jaar of tien, en veel energie. Dan kunnen we bijvoorbeeld minder energie aan ambtenaren, bonussen voor Goldman Sachs managers en bedenkers van slimme lease-constructies besteden. De beste oplossing is uiteraard een compacte vervanger te vinden voor de zeldzame aarden. Wellicht kan door een slimme rangschikking van atomen uit alledaagse materialen een vervanger voor dysprosiummagneten worden ontwikkeld.

Lees ook
Vervangers zeldzame aarden gevonden
Afschaffen fossiel kan al over twintig jaar

Bron:
Clean energy could lead to scarce materials, MIT News (2012)
Elisa Alonso et al., Evaluating Rare Earth Element Availability: A Case with Revolutionary Demand from Clean Technologies, Environ. Sci. Technol., 2012, DOI: 10.1021/es203518d

Hiriko: de opvouwbare elektrische auto

Laat een reactie achter / Ideeën en techniek / Door / 7 december 2021

In Spanje komen steeds meer zonnepanelen, maar wat moet je met al die elektriciteit? Wel, elektrische auto’s op laten rijden natuurlijk. Met een uniek concept zijn  Spaanse ondernemers er in geslaagd om ook een tweede vervelende probleem op te lossen: een parkeerplaats vinden. Het beste nieuws: begin 2013 komt dit goedkope autootje op de markt.

Spanje, bakermat van een nieuw industrieel tijdperk

hiriko
De eerste Hiriko.

Aardolie wordt steeds duurder, want steeds schaarser en moeilijker te winnen. Geen wonder dat steeds meer  ondernemers zich al voorbereiden op een aardolieloze toekomst. Zoals in Spanje, waar het zonlicht in enorme hoeveelheden naar beneden komt.  De oppervlakte aan zonnepanelen breidt zich in de vele woestijnachtige gebieden in het land als een olievlek uit. Dit geldt ook voor allerlei initiatieven die elektrische energie in plaats van aardoliegebaseerde technologie als basis hebben, zoals het elektrische autootje Hiriko.

Opvouwbaar stadsautootje

Hiriko is het Baskische woord voor stedelijk. De Hiriko is een in het Baskische Gasteiz ontwikkeld autootje op basis van een concept car van de Amerikaanse technische universiteit MIT. De 100% elektrische Hiriko heeft een bereik van ongeveer 100 km en biedt aan twee personen ruimte. Extra sterk punt van de Hiriko is dat het opgeklapt kan worden. Hierdoor neemt het wagentje in geparkeerde toestand minder dan de helft van een normale parkeerplaats in beslag. Een uitkomst in dichtbevolkte steden, vooral de vele historische binnensteden waar de straatjes nauw en de parkeerplaatsen schaars zijn. 

Markt

Het autootje zal rond de € 12 500 gaan kosten. Het autootje komt begin 2013 in een oplage van 20 stuks op de markt in Baskenland.  Wordt het een succes, dan zal de productie flink opgeschaald worden.

Innovatiemodel

De laatste uitvoering van de Hiriko. Aan de prachtige futuristische ontwerpen lag het duidelijk niet.

Ook uniek is de manier waarop het autootje wordt ontwikkeld. Dit gebeurt door een consortium van bedrijven die in samenwerking de techniek perfectioneren. Hierdoor wordt een industrieel innovatienetwerk gecreëerd, waar ook nieuwe uitvindingen en producten uit kunnen rollen.

Door het uitbesteden aan China raken steeds meer industrieën uitgemergeld en verliezen het vermogen tot productinnovatie. Met dit soort netwerken kan dit tij worden gekeerd en blijft er in Europa en de VS een gezonde, levensvatbare industrie.

Project helaas mislukt

Helaas stopte de financiering door de overheid. Ook de particuliere partijen wilden niet meer geld in dit project steken. In 2015 werd de stekker er definitief uit getrokken. Zes betrokken zakenlieden werden voor de rechter gesleept wegens fraude.

Nu, in 2021, zijn er enkele steden in China waar dit concept succesvol in wordt gezet. Anders dan in Baskenland is er in China een duidelijke “product owner” en een stabiele (want een-partijstaat) overheid die het draagvlak levert voor experimenten. Van de Hiriko resten slechts enkele mooie Youtube filmpjes.

Bron
Hiriko (Wikipedia; website functioneert niet meer)

Opladen terwijl je rijdt. De oplossing om elektrische auto's mogelijk te maken?

Doorbraak: auto draadloos opgeladen via magneetveld met 97% efficiëntie

10 reacties / Wetenschap / Door / 28 november 2011

Elektrische auto’s zijn veel energiezuiniger dan normale auto’s. Ook kunnen ze met iedere in elektriciteit om te zetten energievorm bijgevuld worden, in plaats van met de milieuvervuilende en steeds schaarsere olie. Helaas is er één grote bottleneck die de massale doorbraak van elektrische auto’s stopt: de logge en dure autobatterijen, die de auto maar weinig bereik geven. Een nieuw concept met 97% efficiëntie belooft hieraan een einde te maken.

Draadloos opladen met 97% rendement
Enter Shanhui Fan en zijn collega’s van het Center for Automotive Research van Stanford University in Californië. Hun plan: bouw een magnetische lus in de weg die resoneert met een lus in de auto. De wisselende magnetische velden dragen energie over van het laadstation naar de auto, zonder dat ze elkaar hoeven te raken. Omdat de resonantie zo nauwkeurig op elkaar is afgestemd is er ook nauwelijks vermogensverlies: in theorie slechts drie procent. In 2007 zijn onderzoekers van het MIT er al in geslaagd energie met veertig procent efficiëntie  over te dragen over een afstand van twee meter[1]. Niet echt indrukwekkend, maar klaarblijkelijk is het concept nu sterk verbeterd.

Opladen terwijl je rijdt. De oplossing om elektrische auto's mogelijk te maken?
Opladen terwijl je rijdt. De oplossing om elektrische auto's mogelijk te maken?

Opladen in zeven microseconden
Fan vroeg zich af of deze ontdekking van Marin Soljačić – die intertijd veel publiciteit kreeg – niet hét grote probleem van elektrische auto’s kon oplossen: het kleine bereik. Hij werkte het systeem zodanig uit dat het nu mogelijk is de auto op te laten laden met een grote dosis energie terwijl deze met volle snelheid over een snelweg rijdt. In zijn berekening draagt een verzameling resonerende spoelen en schijven tien kilowatt aan vermogen over in ongeveer zeven microseconden. Dit is snel genoeg voor de snelweg. Het systeem – waarvan nog een proefopstelling moet worden gebouwd – is in theorie veilig omdat het zo efficiënt werkt: slechts drie procent van het vermogen wordt uitgestraald als elektromagnetische straling.[2]

Opladen terwijl je rijdt
Dit systeem heeft enkele grote voordelen aldus Fan. Opladen kan veel sneller dan nu terwijl de bestuurder rijdt en accu’s van elektrische auto’s kunnen veel kleiner worden, wat de kosten sterk verlaagt. Het grootste deel van de kosten van elektrische auto’s bestaat uit de accu. Kortom: dit zou wel eens de doorbraak voor elektrische auto’s kunnen worden waar veel mensen op hopen. Zo kunnen we relatief snel van de benzineauto af en hiermee de behoefte aan aardolie met naar schatting meer dan de helft terugdringen. De sombere verhalen van onder meer Cassandra Club over olietekort behoren hiermee tot het verleden. De techniek is er nu. Nu is het een kwestie van uitontwikkelen en snel uitrollen. Met een doortastende aanpak hebben we zo binnen vijf jaar elektrisch vervoer en zal er door de massale investeringen zoveel werkgelegenheid ontstaan dat de economie sterk op zal bloeien.

Er is één maar. Tien kilowatt vermogen over zeven microseconden levert niet spectaculair veel energie, rond 70 millijoules. Een personenauto op volle snelheid verbruikt tien kilojoule – per seconde. Je zou dan het hele oppervlak van de snelweg met laadstations moeten voorzien. Laten we hopen dat Fan in zijn presentatie een fout heeft gemaakt en geen kilowatt maar wattuur per oplaadburst bedoelde.

Bronnen
1. Marin Soljačić et al., Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances, Science (2011) /gratis
2. Sanhui Fan, presentatie wireless power transfer

Zo wordt de lithium-zwavel batterij gefabriceerd. De techniek is ingewikkeld, maar belooft drie keer zo efficiënte batterijen. En dus elektrisch vervoer.

Lithiumdoorbraak: 3x zoveel capaciteit?

7 reacties / Ideeën en techniek, Wereld, Wetenschap / Door / 5 juli 2011

Om benzineauto’s te vervangen moeten batterijen drie keer zo goed worden als nu. Een team onderzoekers van Stanford lijkt precies dat voor elkaar te hebben gekregen. Door zwavel in te pakken hebben ze dit weerbarstige opslagmateriaal eindelijk getemd, zo lijkt het.

Lithium: goed, maar niet perfect
Lithiumaccu’s zijn alomtegenwoordig. Dat is niet voor niets. Het zeer lichte metaal – lithium blijft op water drijven, even afgezien van de steekvlam – kent één van de hoogste energiedichtheden zoals bekend. Geen worden dus dat lithiumaccu’s zich in vrijwel alle telefoons, mp3-spelers en laptops bevinden. Helaas zijn lithiumbatterijen niet in staat om de volgende generatie elektrische auto’s voort te stuwen. Daarvoor is hun energieinhoud domweg te klein. Auto’s als de Tesla Roadster moeten werkelijk monsterachtige hoeveelheden lithiumaccu’s meezeulen om nog een beetje behoorlijke radius te hebben.

Kathodes zijn bottleneck voor lithium batterijen

Zo wordt de lithium-zwavel batterij gefabriceerd. De techniek is ingewikkeld, maar belooft drie keer zo efficiënte batterijen. En dus elektrisch vervoer.
Zo wordt de lithium-zwavel batterij gefabriceerd. De techniek is ingewikkeld, maar belooft drie keer zo efficiënte batterijen. En dus elektrisch vervoer.

Het probleem hierbij zit hem in de kathodes van de batterijen. Kathode is een technisch woord voor de negatieve pool, de plek dus waar elektronen zich ophopen. Anodes (de positieve polen) in lithiumbatterijen hebben indrukwekkende opslagcapaciteiten: 370 mAh per gram voor grafiet of zelfs 4200 Ah per gram voor silicium. Ter vergelijking: een AA batterijtje heeft 2,4 ampere-uur. De bottleneck is de kathode. De opslagcapaciteit van kathodes is vergeleken hiermee afgrijselijk slecht: 170 mAh/g for LiFePO4 en 150mAh/g voor gelaagde oxides. De ladingen moeten elkaar in evenwicht houden, dus betekent dat dat de kathodes de maximale capaciteit van batterijen beperken.

Zwavel: ideale kandidaat, maar grote nadelen
Het recept voor een betere lithium batterij is dus simpel: werk aan een beter kathodemateriaal terwijl de overige eigenschappen van de batterij, zoals energieefficiëntie en duurzaamheid bij opladen, behouden blijven. Hailiang Wang en zijn collega’s aan de Californische Stanford Universiteit zeggen dat ze dit doel hebben bereikt door zwavel als kathodemateriaal te gebruiken. Zwavel heeft een uitstekende energiedichtheid: in theorie 1672 mAh/g. Helaas zitten er aan zwavel een aantal nadelen. Onder meer dat zwavel een slechte geleider is, waardoor veel energieverlies door weerstand ontstaat. Ook is zwavel een nogal weerbarstig materiaal: polysulfides lossen op en wassen weg in veel elektrolyten en zwavel zelf heeft de neiging tijdens de ontlading uit te zetten, waardoor het verkruimelt.

Nano-engineering lost zwavelprobleem op
Wang en collega’s melden dat ze grotendeels deze problemen hebben overwonnen door een paar slimme nanotechnische trucs toe te passen om de performance te verbeteren. Hun truc is om zwaveldeeltjes kleiner dan een duizendste millimeter te maken en deze in het plestic PEG (polyethyleenglycol) in te pakken. Hierdoor worden de polysulfiden vastgehouden en kunnen ze niet weglekken. De anode bestaat uit silicium.

Dat is nog niet alles. De ingepakte zwaveldeeltjes worden in een grafeen-kooi opgesloten. De interactie tussen de koolstofatomen in het grafeen en zwavel maakt de deeltjes elektrisch geleidend en ondersteunt ook de deeltjes als ze zwellen en krimpen gedurende elke laadcyclus. Het resultaat is een kathode met een capaciteit van zeshonderd mAh/g die het honderd laadcycli volhoudt. Dat betekent dus meer dan een verdriedubbeling van de energiedichtheid.

Drie keer zoveel energie uit een batterij
Zeer indrukwekkend. Dat zou de actieradius van elektrische auto’s in één klap verdrievoudigen van 200 km naar 600 km. De voordelen zijn denk ik overduidelijk. Er is nog één probleem waar Wang en de zijnen mee worstelen: de capaciteit daalt in die 100 ontlaadcycli met 15%.  Ze hopen dit te verbeteren. De volgende stap is een werkend prototype van deze batterij te bouwen. Dit zou wel eens de doorbraak kunnen zijn waar we allemaal op hopen. Lukt dit Wang en zijn team, dan kunnen de oliesjeiks maar beter heel snel flink wat zonnepanelen in hun woestijn neerzetten, of een eerlijk vak leren. Dan is het namelijk definitief einde oefening voor olieslurpende auto’s.

Bronnen
Wang et al., Graphene-Wrapped Sulfur Particles as a Rechargeable Lithium-Sulfur-Battery Cathode Material with High Capacity and Cycling Stability, arxiv.org (2011)
Sulphur Breakthrough Significantly Boosts Lithium Battery Capacity ,MIT Technology Review Arxiv Blog (2011)