Staal blijft centrale rol spelen in e-mobiliteit

Materialen als aluminium en kunststoffen hebben in de trend naar lichter bouwen hun positie opgeëist in de automobielindustrie als alternatief voor staal. Ze zullen dat ook blijven doen bij de omschakeling van de verbrandingsmotor naar de elektromotor, maar toch zal de vraag naar staal minstens gelijk blijven en waarschijnlijk zelfs groeien. Dit blijkt uit een onderzoek in opdracht van staalproducent voestalpine.

De ontwikkeling van innovatieve hoogsterkte en zelfs ultra-hoogsterkte staalsoorten verzekert ook op lange termijn de rol van staal in de automobielindustrie. Want het materiaal is even licht en stevig, maar daarbij ook goed bewerkbaar, recyclebaar en kostenefficiënt. In de elektromobiliteit zal binnenkort ‘een intelligente materialenmix’ overheersen, waarin staal een doorslaggevende rol speelt. Dat is de uitkomst van de studie ‘De rol van staal in de elektromobiliteit’, die onlangs in Düsseldorf is gepresenteerd.

Geen gewichtsbesparing tegen elke prijs
Bij de ontwikkeling van elektrische auto’s is de trend naar gewichtsbesparing tegen elke prijs voorbij. Juist de vezelversterkte kunststoffen (carbon), die lichter, steviger, maar ook duidelijk duurder zijn, lijken zich niet verder door te zetten. Dat komt enerzijds door de kosten en de slechte recyclebaarheid van carbon ten opzichte van staal en anderzijds door de permanente innovatie in staal op het gebied van stevigheid en gewicht. “Niet alleen economische redenen spreken voor de inzet van staal in elektromobiliteit, maar ook de goede ecobalans en veiligheidsaspecten”, zegt Jan Kleibrink van het Handelsblatt Research Institute, dat de studie in opdracht van voestalpine heeft uitgevoerd. Het is een ontwikkeling die voor de Oostenrijkse staalproducent perspectief biedt: “Door alle kennis binnen ons concern te bundelen en ons consequent op R&D te richten kunnen we hier een leidende rol spelen als aanjager van technologie”, zegt bestuursvoorzitter Wolfgang Eder.

Mix van verschillende staalsoorten
Een voorbeeld is BMW: terwijl de i3 grotendeels uit carbon bestond, zal de i5 vanaf 2021 uit staal en lichtmetalen worden gebouwd, aldus de studie. Ook Tesla gaat in zijn Model 3 het aandeel staal opvoeren ten koste van aluminium en titanium. Ondertussen levert de Europese staalindustrie ultrasterke en tegelijk ook lichte en goed vervormbare staalsoorten. Ze blinken uit in eenvoudige verwerking, homogene oppervlakken voor het lakken en hoge beschikbaarheid van grondstoffen. Ook zijn ze goed te combineren met andere materialen. “Het aandeel van hoogsterkte stalen in de staalsoorten die in de autobouw worden gebruikt zal groeien van 18 naar 30 procent”, zegt Kleibrink. Volgens cijfers van de staalorganisatie worldsteel zou daarmee het gewicht van een voertuig met 25 tot 39 procent kunnen worden verminderd. Over de levensduur van een voertuig zou dat 3 tot 4,5 ton uitlaatgasemissies schelen. In plaats van een disproportioneel dure gewichtsreductie gaat de trend naar een balans tussen gewicht en kosten door een mix van verschillende staalsoorten met aluminium en kunststof lagen. Onafhankelijk van het materiaal is de veiligheid van het carrosserie bij een ongeluk het allerbelangrijkst. Tot dusverre worden daarom combinaties van staal en aluminium ingezet. De nieuwste staalsoorten hebben echter een drie tot vier keer hogere treksterkte dan traditionele stalen en zijn daarmee uitstekend geschikt voor veiligheidsdoeleinden, zoals de studie uitwijst.

Bij de ontwikkeling van elektrische auto’s is de trend naar gewichtsbesparing tegen elke prijs voorbij. Juist de vezelversterkte kunststoffen (carbon), die lichter, steviger, maar ook duidelijk duurder zijn, lijken zich niet verder door te zetten.

Elektromotor en materiaalkeuze
In de studie is ook het thema elektromotor en materiaalkeuze onderzocht. De conclusie is dat staal rondom de motor en de aandrijving eveneens een centrale rol krijgt. In elektromotoren wordt zogeheten niet-korrel georiënteerd elektroband ingezet – voor een puur elektrisch voertuig tussen de 40 en 100 kilo. De behoefte aan dit laagmagnetische materiaal zou alleen al in Europa naar meer dan een miljoen ton per jaar kunnen groeien. Staalproducenten concentreren zich op het steviger en dunner maken van deze elektrostalen, zodat ze het gewicht van de motor reduceren. Aangezien de fysieke grenzen bijna zijn bereikt kunnen ze zich binnenkort vooral onderscheiden door hun competenties bij lijm-, verbindings- en vervormtechniek. Speciale legeringen met verhoogd silicium- en aluminiumaandeel reduceren bovendien het warmteverlies in de motor bij de magnetische omschakeling tot wel 30 procent. Wie als producent kennis heeft op dit gebied, verzekert zich van een goede startpositie op de groeiende markt van elektromobiliteit.

Accubehuizingen
De studie onderstreept dat driekwart van de batterijen momenteel in Azië worden geproduceerd. Het ontbreekt Europa hierdoor aan kennis en toegang tot goed ingerichte toeleverketens. Dat is anders bij de behuizingen: de batterij elementen hebben een grote behuizing nodig, die voldoende bescherming biedt bij een crash en voorkomt dat gevaarlijke stoffen bij een ongeluk uittreden. De accubehuizingen vormen een nieuwe business voor de Europese materialenproducenten. Voestalpine biedt hiervoor reeds lichte en veilige concepten. Aangezien de volledige accumodule tot wel 40 procent van het gewicht van een voertuig bepaalt, gaat het bij de keuze van het materiaal afgezien van het veiligheidsaspect om gewicht, kostenefficiency en duurzaamheid. Anders dan aluminium, titanium en composieten heeft staal het voordeel zeer resistent te zijn tegen vervormingen bij ongelukken.

Om de rol van staal in e-mobiliteit te onderstrepen, sponsort voestalpine sinds dit seizoen de Formule E.

Klimaatbalans
Klimaatbescherming is een belangrijke aanjager voor elektromobiliteit. De klimaatbalans van een e-voertuig blijft uitermate onbevredigend als fossiele brandstoffen worden gebruikt bij de productie van aluminium en carbon en de stroom aan een laadstation niet afkomstig is van vernieuwbare energie. Ecologisch gezien hangt het succes van e-mobiliteit af van het slagen van de energietransitie. De ingezette materialen kunnen daarbij niet uitgeschakeld worden. In vergelijking met aluminium of carbon heeft staal hier duidelijke voordelen omdat het van meet af aan met minder energie wordt geproduceerd, bewerkt en tot slot zonder kwaliteitsverlies kan worden gerecycled.

Centrale positie staal
In de EU wordt e-mobiliteit direct gepromoot door aankoopvoordelen voor e-voertuigen en indirect door scherpere eisen aan de uitstoot van conventionele aandrijvingen, constateert de studie. Tot dusverre gaan veel mensen echter niet over tot de aanschaf van een e-mobiel vanwege het geringe bereik en de hoge aanschafkosten. “Deze negatieve factoren zwakken af omdat de ontwikkelingen bij de accutechniek tot 2025 de bereikbaarheidsnadelen elimineren en de accukosten tot een derde van de huidige kosten zullen dalen”, zegt Kleibrink. Reeds dit jaar kunnen e-voertuigen het prijsverschil met modellen met verbrandingsmotoren al deels verkleinen. Tot 2025 kunnen al meer dan 14 miljoen elektrovoertuigen in de EU worden verkocht. Een trend die volgens de uitkomsten van de studie een belangrijke rol toekent aan het materiaal staal, omdat het in de intelligente materialenmix van de toekomst vanwege aspecten als kostenefficiency, duurzaamheid en veiligheid een centrale positie kan claimen.