Weg met de laadpaal! Opladen tijdens het rijden heeft de toekomst
Als alle auto’s elektrisch zijn, zou heel het land vol moeten staan met laadpalen. Dat kan ook anders. Draadloos opladen heeft de toekomst.
De laadpaal heeft zijn langste tijd alweer gehad. Binnen een paar jaar rijden er simpelweg te veel elektrische auto’s rond. Laden alleen met stekkers aan palen is dan onhoudbaar, denkt Pavol Bauer. Zijn oplossing: contactloos laden, op parkeerplaatsen, voor het stoplicht en al rijdend op de snelweg.
In zijn lab aan de TU Delft demonstreert Bauer een gloednieuwe opstelling waar twee koperen spoelen over elkaar heen bewegen en draadloos elektriciteit overbrengen. Bauer is hoogleraar in Delft en doet al sinds 2010 onderzoek naar inductief laden van elektrische auto’s. Hij heeft een artikel uitgeprint dat hij samen met enkele promovendi in december publiceerde en bladert enthousiast naar een grafiek. „We kunnen nu op 15 centimeter afstand 20 kilowatt vermogen overbrengen met een rendement van 97,2 procent. Dat is fantastisch hoog. Kijk, een wereldrecord.”
Bauer is niet de enige die een zonnige toekomst ziet voor contactloos laden. Aan veel meer universiteiten wordt onderzoek gedaan. De eerste kilometers buiten het lab zijn ook al afgelegd: onder meer in Zweden, Spanje en Zuid-Korea liggen testwegen. Autobouwers zijn er ook mee bezig. Zo test Stellantis, het bedrijf achter onder meer Alfa Romeo, Opel en Peugeot, draadloze laadtechnologie op de in december geopende Arena del Futuro, nabij het Italiaanse Turijn.
Stekkerladen is efficiënt
Natuurlijk, stekkerladen werkt efficiënt en het gaat steeds sneller dankzij vernuftiger laad- en batterijtechnieken. Er wordt ook nu nog volop onderzoek naar gedaan. Maar kijk naar de groeiverwachting voor elektrisch vervoer en Bauers stelling lijkt niet gek dat er straks te veel auto’s zijn om met alleen palen te laden.
Kenniscentrum ElaadNL voorspelt dat in 2035 44 procent van de personenauto’s elektrisch is (tegen zo’n 3,5 procent van de 8 miljoen auto’s nu), mede dankzij het plan om vanaf 2030 de verkoop van nieuwe brandstofauto’s te verbieden. In 2050 is alles elektrisch. Er zijn nu – met 400.000 elektrische auto’s – al 200.000 privélaadpunten en bijna 85.000 (semi-)openbare en snellaadpunten. „Ik zie niet voor me dat al die mooie binnensteden in Nederland tjokvol laadpalen komen”, zegt Bauer.
Meer voordelen aan laden tijdens het rijden: minder laadstress – voor velen een reden om (nog) geen elektrische auto te willen – en kleinere batterijen – en daarmee lichtere en goedkopere auto’s die minder (deels schaars) materiaal vergen.
Trolleybussen rijden al veel langer elektrisch zonder stekkers. Bovenleidingen of een rail in de weg worden ook bekeken als manier om vervoer, voornamelijk vrachtvervoer, te elektrificeren. „De technologie van opladen met geleiding is volwassener dan inductief laden. Maar de visuele impact is groter, er zijn veiligheidsvragen en er is veel onderhoud nodig”, schreven Laura Soares en Hao Wang van Rutgers University in de Verenigde Staten in januari in een overzichtsartikel. Inductie is volgens hen „veelbelovend”.
Spoelen van koperdraad
Contactloos laden, ook wel inductive coupled power transfer genoemd, werkt via hetzelfde principe als een transformator. Twee spoelen van koperdraad brengen via een magnetisch veld energie naar elkaar over. De primaire spoel zit in dit geval in het wegdek. Het magneetveld wordt opgewekt door stroom van het elektriciteitsnet of bijvoorbeeld zonnepanelen naast de weg. De secundaire spoel in de auto ontvangt spanning via het magneetveld, en is gekoppeld aan de autobatterij. De primaire spoel is alleen actief als er een ontvangende spoel boven hangt.
Hoeveel wegdekspoelen zijn nodig om er wat aan te hebben? En hoeveel vermogen moeten ze kunnen overbrengen? „In 2013 alweer hebben we daar casestudy’s naar gedaan. Aan 30 procent geëlektrificeerde snelwegen heb je in Nederland genoeg om met veel kleinere batterijen te gaan rijden”, zegt Bauer. Hij bladert in zijn printjes naar een nieuwe grafiek. „Dit patroon laat zien hoe lang auto’s die veel in de stad rondrijden, zoals pakketbusjes, stilstaan bij stoplichten. Als bij de stoplichten laadsystemen van 30 kW liggen, is hun batterij aan het einde van de dag op hetzelfde niveau als aan het begin.”
Maar 30 kW overbrengen is nog niet gelukt met contactloze laadsystemen zonder veel efficiëntieverlies. Het vermogen vergroten is een van de vragen waar onderzoekers hard aan werken. Bauer: „Ons doel is om een contactloos laadsysteem voor bussen te ontwikkelen, van 200 kW.”
Storing in elektronica
Een ander probleem is het efficiëntieverlies als de twee spoelen niet precies uitgelijnd zijn: ‘misalignment’. Uit de paper waarin de Delftse onderzoekers 20 kW overdracht met 97,2 procent efficiëntie rapporteren, blijkt dat de efficiëntie zakt naar 94,1 procent als de secundaire spoel 15 centimeter naast de primaire spoel zit. Bauer: „Helemaal recht erboven parkeren is lastig, laat staan precies erboven rijden. De energieoverdracht wordt snel minder efficiënt.” Ook vervelend is dat het magneetveld bij scheve plaatsing een groter strooiveld krijgt en dan andere elektronica in en om de auto kan storen.
De nieuwe testopstelling in Delft laat spoelen straks automatisch over elkaar heen bewegen. De bovenkant kan naar links en naar rechts, naar voren en naar achteren en naar boven en beneden bewegen. „We kunnen hier heel veel variabelen testen. Om het energieverlies bij misalignment te verminderen gaan we bijvoorbeeld kijken of we kunnen variëren met de weerstand, en of kleinere, in serie verbonden spoelen beter werken”, zegt Bauer.
De laatste onderdelen moeten nog op het apparaat gezet worden, vanaf volgende week kan een promovendus ermee aan de slag. „Die werkt aan een specifiek probleem dat speelt bij laden tijdens het rijden”, vertelt Bauer. „Dan is een auto steeds heel eventjes boven een laadpunt, het vermogen pulseert dan steeds. Dat is niet goed, liever heb je dat gelijkmatig. We gaan kijken of een andere vorm spoel beter werkt. Het computermodel zegt alvast van wel.”
Wachtende taxi’s
Bauer heeft er vertrouwen in dat de problemen worden opgelost. Contactloos laden kan binnen een paar jaar werkelijkheid zijn, denkt hij. De eerste toepassing die hij voor zich ziet is een laadstrook onder de weg bij stations of op het vliegveld, waar taxi’s vaak een tijdje in de rij staan. „Nu moeten ze nog stilstaan bij laadpalen. Met laadtegels onder de wachtrij hoeft dat niet”, zegt Bauer. De stap daarna is laadsystemen bij stoplichten, een volledige e-road gaat nog even duren.
Laadsystemen bij stoplichten, 30 procent geëlektrificeerde snelweg. Dan heb je het over heel veel koper in de weg. Ja, dat is een nadeel, erkent Bauer. Soares en Wang stippen in hun paper meer hobbels aan. Er is bijvoorbeeld nog amper onderzoek gedaan naar de wegenbouwtechnische kant. Hoe leg je dit goed in het wegdek en wat gebeurt er met het materiaal en de efficiëntie van energieoverdracht als er scheuren of hobbels in de weg ontstaan? Ze noemen ook de initiële kosten voor aanleg van de laadsystemen. Die zijn hoog, zeker nu de techniek nog jong is.
Maar misschien wel het belangrijkste: „Implementatie vereist veel samenwerking en goede communicatie tussen betrokkenen”, schrijven Soares en Wang. Een eufemistische formulering. Want alles is nu ingericht op laden met palen, een overgang naar contactloos laden zou een complete systeemverandering betekenen, waarbij de betrokkenen van elkaar afhankelijk zijn. Autobouwers gaan alleen kleinere batterijen en spoelen in hun auto’s zetten als hun klanten er ver genoeg mee kunnen rijden. Als automobilist heb je alleen wat aan laadsystemen bij stoplichten als ze in alle steden liggen en laadsnelwegen moeten niet alleen in de Randstad aanwezig zijn maar ook in Groningen, Duitsland en België. En hoe werkt het afrekenen als je steeds een paar seconden bij een stoplicht laadt?
Een andere zorg kan Bauer wel wegnemen. „Ik krijg vaak de vraag wat er gebeurt als er een kat onder een auto kruipt die contactloos aan het laden is. Dat doen katten nu eenmaal. We hebben daarom onderzoek gedaan naar een signaleringssysteem. Je wil niet dat er iets levends tussen kruipt, maar ook een blikje cola dat uit je boodschappentas rolt kan warm worden. Het systeem merkt dat, en schakelt dan uit. Dus de kat is veilig.”
Bron: NRC, 8 maart 2022