TNO versnelt elektrificatie van bouw en logistiek door batterijen beter te begrijpen

Steeds meer batterij-elektrische voertuigen

Momenteel zijn batterij-elektrische voertuigen (BEV) de belangrijkste manier om transport koolstofemissievrij te maken. Er zijn al veel verschillende modellen beschikbaar en we kunnen dus stellen dat het al een volwassen technologie is. Zelfs voor zwaar transport bestaan elektrische oplossingen, terwijl dat vijf jaar geleden ondenkbaar leek. Die elektrificatie zal alleen maar toenemen dankzij dalende batterijprijzen en stijgende prestaties.

Feye Hoekstra, Battery Scientist: “De batterijtechnologie heeft een enorme vlucht genomen. Vijf jaar geleden was het ondenkbaar dat vrachtwagens batterij-elektrisch konden rijden, inmiddels worden ze volop toegepast. Batterijen krijgen een steeds hogere energiedichtheid, meer vermogen. Dit maakt zelfs het vliegen op batterijen niet ondenkbaar. Batterijen die zoveel energie kunnen dragen hebben echter vaak weer uitdagingen wat betreft levensduur, en ook de veiligheid wordt dan nog belangrijker. Tegelijkertijd moeten batterijen betaalbaar blijven, dus hoe houd je de kosten onder controle?”

Batterijen beter begrijpen

Binnen TNO wordt door verschillende afdelingen gewerkt aan de batterijtechnologie van de toekomst. Dat varieert van onderzoek naar nieuwe materialen, tot betere recycletechnieken en second-use toepassingen. Bij TNO Powertrains in Helmond wordt vooral onderzocht hoe je batterijen het beste kunnen gebruiken. Hoekstra: “We willen begrijpen wat er in batterijen gebeurt, zodat we er meer energie uit kunnen halen en waardoor ze langer mee kunnen gaan. Het is niet heel ingewikkeld om een batterijpakket te bouwen dat werkt, maar des te uitdagender om er de maximale performance uit te halen, bij een zo lang mogelijke levensduur, terwijl deze ook nog eens veilig is.”

“Daarvoor moet je de complexiteit van die batterij begrijpen. Als je geen Tesla of Volkswagen bent, heb je die specifieke expertise meestal niet zelf in huis. Veel van onze partners zijn kleinere OEM’s in de heavy duty sector: fabrikanten van vrachtwagens, bussen, of maritieme toepassingen. Maar we hebben ook partners in de non-road mobile machinery sector. Denk aan graafmachines, wielladers en ander bouwmaterieel. Door de stikfstofproblemen en lokale uitstootrestricties zie je dat de bouw in Nederland daar ook steeds meer op inspeelt. Kenmerkend voor deze partijen is dat ze zeer grote accupakketten gebruiken in kleine oplages. Juist bij dit soort specifieke toepassingen is met een geoptimaliseerd gebruik veel winst in performance te behalen.”

Waardevol voor TCO

Om beter inzicht te krijgen in die batterij werkt TNO aan geavanceerde batterijmanagementsystemen (BMS). Hoekstra: “Zo’n BMS controleert hoe de batterij wordt gebruikt en wat zijn huidige status is. Aanvankelijk gebruikte men eenvoudige modellen die weinig informatie boden. Dankzij steeds betere chips en nauwkeuriger modellen zijn dit soort systemen heel waardevol geworden. Voor snelladen wil je bijvoorbeeld weten met welke snelheid je de batterij maximaal kunt opladen zonder dat de batterijcel wordt beschadigd. In zijn eenvoudigste vorm houdt het systeem de batterij binnen de veiligheidslimieten.”

“Iets ingewikkelder wordt het om vast te stellen hoeveel energie er nog over is. Nóg complexer wordt het om de actuele gezondheidstoestand, oftewel State of Health (SoH) van een batterij te bepalen. Om te voorspellen hoe lang een batterij nog meegaat, en te ontdekken met welke maatregelen je die levensduur kunt verlengen. In die zin kan een BMS een belangrijk instrument zijn om de Total Cost of Ownership (TCO) te verlagen. Als je in staat bent om meer energie uit een batterij te halen, volstaat een kleiner batterijpakket voor dezelfde actieradius. Ook verlaag je de TCO door de levensduur van de batterij te verlengen.”

Brandveiligheid batterijen

TNO werkt samen met fabrikanten om batterijmanagementsystemen te optimaliseren, bijvoorbeeld door sensoren te testen die thermal runaway kunnen voorspellen. Hoekstra: “Voor een van onze partners hebben we bijvoorbeeld thermal runaway-experimenten uitgevoerd om nieuwe sensoren te testen die vroegtijdige detectie mogelijk maken. Met gecontroleerde stresstests brengen we batterijen bewust richting ontbranding, bijvoorbeeld door oververhitting. Dit levert waardevolle patronen op die in algoritmen kunnen worden verwerkt voor vroege detectie. Bedrijven kunnen deze technologie integreren in hun batterijmanagementsystemen zonder zelf complexe experimenten uit te voeren.”

TNO Powertrains werkt aan fundamentele innovaties en patenten op het gebied van batterijtechnologie, vaak in samenwerking met start-ups en scale-ups die specifieke uitdagingen tackelen. “Samen met LionVolt, een spin-off van TNO Holst Centre, ontwierpen we een nieuw oplaadalgoritme voor een nieuwe batterijchemie en implementeerden en testten dit op een prototype batterijmodule gebouwd door TNO Powertrains.”

Levensduur batterijen voorspellen

Om nog nauwkeuriger de levensduur van batterijen te kunnen voorspellen werkt Hoekstra met zijn team aan steeds betere modellen. “Voorheen keek een BMS alleen naar de eigen batterij, maar tegenwoordig wisselen batterijsystemen onderling data uit via de Cloud. Dat stelt ons in staat om complexe verouderingsmodellen te maken.”

“Voor OEM’s is de grote uitdaging bij het ontwikkelen van een nieuw type batterij voor een nieuw type voertuig altijd om een garantie af te geven over de levensduur. Grote fabrikanten hebben het budget om hiervoor uitgebreide verouderingstests uit te voeren met eindeloze praktijksimulaties. Blindvaren op de algemene schattingen van de batterijfabrikant is ook geen optie. Voor kleinere spelers vormen onze nauwkeurige levensduurvoorspellingsmodellen een oplossing. In combinatie met data die we hebben verzameld over vergelijkbare typen batterijen kunnen we inmiddels betrouwbare voorspellingen doen voor nieuw typen batterijen, in specifieke toepassingen, zonder eerst kostbare, langdurige experimenten te moeten uitvoeren.”

Bedrijven voorbereiden op batterijpaspoort

Ook in bredere, economische zin helpt TNO het bedrijfsleven om te elektrificeren. Zo is TNO een van de oprichters van het Battery Competence Cluster, een innovatieprogramma waar bedrijven, kennisinstellingen en organisaties hun krachten bundelen om kennis en -competenties op te bouwen op het gebied van batterijtechnologie. Inmiddels telt het programma meer dan 200 leden.

Eén van de praktische zaken waar TNO bedrijven mee helpt, is de voorbereiding op het aankomende batterijpaspoort. Feye Hoekstra: “Het batterijpaspoort is essentieel voor de traceerbaarheid, recycling en waardebepaling van tweedehands batterijen. Binnen TNO werken we samen met onze ICT, Strategy & Policy unit om een veilig platform te ontwikkelen waarmee batterijdata centraal kan worden opgeslagen en opgevraagd. In het batterijpaspoort moeten diverse waarden worden gerapporteerd, zoals de SoH en roundtrip energy efficiency. Wij onderzoeken welke technische waarden relevant zijn en hoe deze parameters met algoritmen nauwkeurig kunnen worden berekend. TNO ondersteunt bedrijven bij het voldoen aan de regelgeving en het optimaal benutten van batterijdata.”

Tool geeft logistiek inzichtnetcongestie

Ook met de Charge Planning Tool laat TNO zien hoe je batterij-expertise kunt inzetten om oplossingen te bieden voor praktische uitdagingen in de markt. Feye Hoekstra: “Vervoerders en verladers die willen elektrificeren worden nu vaak in de weg gezeten door hun beperkte energieaansluiting. Om toch maximaal van hun laadcapaciteit gebruik te kunnen maken, bij een optimale logistieke planning, heeft TNO de Charge Planning Tool ontwikkeld, die rekening houdt met de laadcyclus van de elektrische voertuigen. De door ons ontwikkelde algoritmes worden gevoed door real-life data om ondernemers te helpen om hun huidige energieaansluiting en laadmogelijkheden optimaal te benutten. Zo draagt de tool direct bij aan het vlottrekken van de energietransitie en het realiseren van klimaatdoelen in de logistiek.”

TNO dicht kenniskloof

Als we Feye Hoekstra vragen om samen te vatten wat de rol van TNO Powertrains is in het Nederlandse batterij-elektrische spectrum, antwoordt hij weloverwogen: “Het dichten van de kenniskloof. Bij TNO beschikken we over diepgaande kennis van batterijen en hun prestaties - expertise die zeldzaam is. We helpen bedrijven inzicht te krijgen in hun batterijen, zodat ze schonere energieoplossingen kunnen realiseren.”

“Daarnaast kijken we heel pragmatisch vanuit onze expertise naar de uitdagingen van vandaag bij de elektrificatie van mobiliteit en transport en dragen we bij aan praktische oplossingen als de Charge Planning Tool. Tegelijkertijd is het ook onze taak om de blik op de toekomst gericht te houden en de markt voor te bereiden op nieuwe batterijtechnologieën die aanstaande zijn, en kennishiaten bij bedrijven te dichten.”