Top 6 mobiliteitstrends – waaronder: ‘de particuliere auto verdwijnt’

Het snelle tempo van verandering is mogelijk gemaakt door technologische sprongen in de onderliggende componenten en materialen, van Li-ion-batterijen tot Lidar. Maar er is nog een lange weg te gaan, aangezien de industrie ernaar streeft de prestatiekloof met interne verbrandingsmotoren te dichten, de veiligheid te verhogen, de kosten te verlagen en regelgevende belemmeringen te overwinnen.

Hoofdanalist  Luke Gear onderzoekt zes belangrijke toekomstige mobiliteitstrends, gebaseerd op IDTechEx’s eigen onderzoek.

Elektrificatie vindt wereldwijd en in alle sectoren plaats. Tien jaar geleden voorspelde IDTechEx dat tegen 2021 1,5 miljoen batterij-elektrische auto’s zouden zijn verkocht. Dit bleek een onderschatting van meer dan de helft, aangezien China, de VS en Europa vorig jaar allemaal hun markten hebben uitgebreid. De enorme volumes en successen van elektrische voertuigen in de automobielmarkt drukken de kosten en creëren kansen voor andere mobiliteitssectoren. 

Op het water

Op de waterwegen zijn de leveringen van elektrische veerboten gestegen tot 80 MWh per jaar, doordat de kosten van het batterijpakket onder de 600 dollar per kWh daalden, de energiedichtheden verbeterden en innovaties op het gebied van thermisch beheer de veiligheid verhoogden. 

In de lucht

Vergelijkbare drivers stimuleren investeringen in elektrische luchttaxi’s, waarbij toonangevende bedrijven als American Airlines, Virgin Atlantic, United Airlines, UPS en Avolon allemaal pre-orders hebben geplaatst. Elektrificatie is niet zozeer onstuitbaar als onvermijdelijk en zal een dominante rol blijven spelen in het koolstofarm maken van mobiliteit. 

Robotaxi’s

Autonome voertuigen zullen de auto-industrie opnieuw transformeren. Net zoals de industrie worstelt met enorme veranderingen in aandrijftechnologie, verwacht IDTechEx dat commerciële autonome auto’s, of robotaxis, in 2024 marktklaar zullen zijn en de menselijke veiligheid zullen evenaren of overtreffen. Door de huidige veiligheidsgegevens vooruit te projecteren, impliceert dit dat autonome auto’s voor 2050 in staat zullen zijn om aan de mobiliteitsbehoeften van de wereld te voldoen – zonder te botsen.

De particuliere auto verdwijnt

Als gevolg hiervan zal autonomie een diepgaande impact hebben op het reisgedrag van consumenten: door de hoogste kosten van de huidige haal-en-breng-diensten – de bestuurder – weg te nemen, zullen robotaxis betaalbare mobiliteitsdiensten kunnen gaan leveren, waardoor die markt snel groeit met 30% per jaar. Particulier autobezit zal een overblijfsel uit het verleden worden voor nieuwe generaties, en aangezien één autonome auto meerdere mensen per dag kan bedienen, zal de fundamentele vraag naar nieuwe auto’s naar verwachting dalen, zelfs als het aantal passagierskilometers wereldwijd toeneemt. 

Het toekomstige verleden van Li-ion

Op lithium gebaseerde batterijen zullen de grote factor blijven voor elektrificatie. Zonder de popularisering van de Li-ion-batterij door Sony in de jaren negentig, zouden elektrische voertuigen nog steeds zijn als het paard dat de race naar de verbrandingsmotor verloor. Batterijtechnologieën evolueren snel en er vinden veel belangrijke marktontwikkelingen plaats. Aangezien de batterijkosten hoog zijn, zal de belangrijkste focus voor de industrie liggen op het vergroten van de duurzaamheid van grondstoffen en toeleveringsketens, terwijl ervoor wordt gezorgd dat er nog steeds voldoende aanbod is om aan de enorme vraag te voldoen. Later in het decennium is de overgang naar de heilige graal van solid-state en lithium-metaalbatterijen van cruciaal belang voor een stapsgewijze verandering in veiligheid en prestaties, en om de deur te openen naar nieuwe toepassingen zoals elektrische langeafstandsvliegtuigen. 

Deze Ces liet Sony weten met een eigen E-voertuig te willen komen.

 

Verbeteren vermogen en tractie

Geavanceerde motoren en vermogenselektronica zijn essentieel om de kosten te verlagen en het bereik te vergroten. Het verbeteren van de efficiëntie van vermogenselektronica en elektrische tractiemotoren is de sleutel tot het vergroten van het bereik of het verkleinen van batterijen (verlaging van de kosten). Twee belangrijke trends op deze gebieden zijn marktconvergentie op het gebied van permanent magneet motoren en een overgang naar halfgeleiderapparaten met een brede bandgap. 

Magneet- en kopervrije motoren

Vanwege hun hoge prestaties en superieure efficiëntie zijn permanentmagneetmotoren de standaardtechnologie voor tractietoepassingen en hun markt is natuurlijk gegroeid met het enorme succes van elektrische auto’s. Magneten maken recycling aan het einde van de levensduur echter moeilijk en geven aanleiding tot bezorgdheid over prijsvolatiliteit en duurzame mijnbouwpraktijken, mede omdat het meeste materiaal wordt gewonnen en ingekocht in China. Langdurige afhankelijkheid van uitsluitend permanente magneetmachines lijkt steeds onhoudbaarder te worden, nu waarschuwingssignalen  beginnen te verschijnen in hoge neodymiumprijzen – het primaire ingrediënt van zeldzame-aardmagneten. Magneetvrije en zelfs kopervrije motoroplossingen winnen aan belangstelling en momentum. Hoewel motoren niet zo materieel divers zijn als batterijen, verwacht IDTechEx Research dat autofabrikanten hun strategieën op dezelfde manier zullen diversifiëren om verschillende technologieën te gebruiken om prestaties, duurzaamheid, marktvraag en kosten in evenwicht te brengen. 

Brede bandgap

Ondertussen is een omschakeling naar vermogenselektronica met brede bandgap in volle gang, voornamelijk met siliciumcarbide Mosfet-apparaten. Tegen 2030 zal ongeveer de helft van de markt voor elektrische auto’s zijn overgestapt op deze efficiënte apparaten, waardoor efficiënte hoogspanningsaandrijflijnen mogelijk zijn. Begin 2022 presenteerde Mercedes het Vision EQXX-concept met een capaciteit van 1000 kliometer. Hoewel er veel technologie achter dit concept zit, waaronder carrosserie op zonne-energie, ontwerp (weerstandsfactor), siliciumanodebatterijen en axiale fluxmotoren, is een belangrijke factor het 900V-platform – iets dat alleen praktisch is met siliciumcarbide. 

De presentatievideo van Mercedes Vision EQXX 

Brand?

De veiligheid van de aandrijflijn via thermisch beheer zal van cruciaal belang zijn naarmate de markt volwassener wordt. Terwijl OEM’s zich haasten naar elektrificatie, wordt de veiligheid van batterijen soms gemist of niet volledig gerealiseerd. Dit werd in 2020-2021 in de VS publiekelijk benadrukt dankzij de veiligheidsgerelateerde terugroepactie van GM’s Bolt die ongeveer 1,9 miljard dollar kostte en ze zijn niet de enige autofabrikant die EV-terugroepingen had met betrekking tot mogelijke brandrisico’s. 

De manier waarop batterijen worden ontworpen, evolueert zowel op cel- als op pakketniveau . De batterijchemie evolueert met de adoptie van hogere nikkelkathoden, LFP-batterijen (lithium-ijzerfosfaat) die een opleving maken en er wordt meer aandacht besteed aan solid-state batterijen. Deze veranderingen hebben een grote impact op de eisen rond thermisch beheer en materialen in EV-batterijen. Buiten de cel zien we OEM’s overgaan naar cel-to-pack-ontwerpen met aankondigingen van Tesla, Stellantis, BYD, VW en meer. Deze fundamentele verandering in de structuur van het batterijpakket leidt tot veranderingen in de manier waarop thermische strategieën en materialen worden verwerkt, waaronder materialen voor thermische interfaces, koelmiddelkanalen en brandbeveiliging. 

Uitdagingen rond vermogenselektronica

Hoewel veel aandacht wordt besteed aan de batterij, zijn elektromotoren en vermogenselektronica letterlijk de drijvende kracht achter EV’s en vormen ze hun eigen uitdagingen op het gebied van thermisch beheer en materiaal. Permanente magneetmotoren hebben een specifieke bedrijfstemperatuur nodig om schade te voorkomen. Bovendien kan het te warm worden van de koperen spoelen in een motor leiden tot verminderde efficiëntie of schade aan de wikkelingsisolatie. De overgang van siliciumcarbide in vermogenselektronica brengt ook tal van thermische uitdagingen op pakketniveau met zich mee om het hoofd te bieden aan de verhoogde junctietemperaturen, waaronder draadbinding, die-attach en substraattechnologieën. 

Waterstof

Waterstofbrandstofcellen zijn het laatste stukje van de puzzel om het vervoer over land koolstofarm te maken. Batterijoplossingen zijn minder geschikt voor gebruikssituaties die een groot bereik, hoge belasting, korte uitvaltijd en hoge operationele flexibiliteit vereisen. Bijvoorbeeld langeafstandsvrachtvervoer en stadsbusactiviteiten met een hoge kilometerstand. Bovendien zullen batterijen, hoewel de vraag groot is en het aanbod overtreft, prioriteit krijgen in licht-transport sectoren waar ze het meest winstgevend zijn. Dit creëert kansen voor brandstofcellen, en reuzen als Toyota, Hyundai, GM en Daimler blijven miljoenen pompen in het verbeteren van brandstofcelsysteemtechnologie en bredere waterstofinfrastructuur.