Batteriet bremser elbilen

Bakgrunn:

Batteriene er ennå for dyre og store til at elbilen fullt ut kan erstatte fossilbilen. Håpet er at masseproduksjon skal sette fart i utviklingen.

25.10 2012 05:00


Når Nissan Leaf er nesten tom for strøm, går den i skilpaddemodus - turtle mode - for å spare de siste restene av strøm, i håp om å komme seg til ladestasjonen.

Når batteriet i en Nissan Leaf er i ferd med å gå tomt for strøm, går denne elbilen inn i det som fabrikanten kaller skilpaddemodus – turtle mode. En liten skilpadde lyser rødt på dashbordet.

Det betyr at de siste strømreservene brukes til å rulle bilen sakte framover med minimalt energiforbruk, i håp om ennå å kunne nå fram til en ladekontakt.

Det er ikke bare Nissan Leaf som går i skilpaddemodus. Selve batteriteknologien har krøpet framover i det samme sørgelige tempoet de siste hundre årene.

Haren og skilpadden

Thomas Alva Edison laget batterier som kunne lagre rundt 30 watt-timer per kilo vekt. I dag er de beste bilbatteriene i ferd med å nærme seg 150 watt-timer per kilo, knapt fem ganger bedre.

Kontrasten er enorm til datateknologien, som hopper framover til dobbel yteevne hver 18. måned.

Sagt på en annen måte: I eventyret om haren og skilpadden er rollefordelingen mellom data- og batteriteknologi ganske åpenbar.

Ninja Turtles?


Parodi på Teenage Mutant Ninja Turtles, slik de framsto i satirebladet Cracked august 1990.

Men er det tegn til at skilpadda er i ferd med å mutere til en Ninja Turtle og få opp farten?

Ninja-skilpaddene var populære tegneseriefigurer på 1980- og 90-tallet. De fikk evnene og turbotempoet sitt etter å ha badet i stoffet mutagen.

Og nettopp nye kjemiske og fysiske forbedringer kan gi mye bedre batterier enn de som i dag driver elbilene framover.

Men hva vil det egentlig si at batteriene er bedre?

Batteriet – et energilager

Martin Kirkengen og Preben Vie ved avdelingen for batteriteknologi på Institutt for energiteknikk (IFE) gir oss noen egenskaper som bilbatteriene kan vurderes etter.

Den mest opplagte egenskapen er hvor mye energi batteriet kan lagre. Det bestemmer rekkevidden.

Rekkevidden er elbilens største svakhet. Den markedsføres fortsatt som bybil, men vil gjerne ut og sluke mil etter mil langs landeveien, hvis den bare kunne.

Det vil si, den kan. Det er sportsbilen Tesla Roadster et godt eksempel på, med over 400 kilometer på fulladede batterier.

Det er ikke vanskelig å gi elbilen lang rekkevidde, bare du dytter inn et dyrt og stort nok batteri.



Tesla Roadster (Foto: Tesla Motors)

Til slutt ender du da opp med en veldig dyr bil der mye av plassen tas opp av batteriet.

Jo mer energi målt i watt-timer per kilo batteri, desto mindre volum og vekt stjeler batteriet. Da kan tilsvarende mer av bilen brukes til å frakte folk og last, ikke battericeller.

Økt energitetthet

Litium-ionebatteriene i Tesla Roadster lagrer rundt 135 watt-timer per kilo (Wh/kg). Dette er ikke spissteknologi, men 6831 vanlige laptop-batterier. Også prisen blir deretter.

Litium-ionebatterier er den vanligste batteritypen i rene elbiler. De beste batteriene av denne typen kan i dag lagre nær opptil 150 Wh/kg, men denne teknologien utvikles raskt nå, blant annet i Tyskland, forteller IFE-forskerne.

Bilprodusenten Volkswagen mener at det er realistisk å produsere elbiler med litium-ionbatterier som kan lagre 200 Wh/kg basert på dagens teknologi, allerede i 2013 – 2014. Det gir teoretisk rundt 30 prosent økt rekkevidde, for eksempel fra 120 kilometer til 160 kilometer.

Dobling og mangedobling – på sikt

På lengre sikt kan nye materialer på elektrodene gi enda flere wattimer per kilo, også kalt energitetthet. IFE forsker blant annet på bruk av tynne tråder eller små partikler av silisium i den negative elektroden.

Det alene kan øke energitettheten med 25 prosent. Med andre forbedringer kan energitettheten fordobles i løpet av fem år, ifølge Volkswagen.

Enda mye lengre inn i framtida lokker litium-luftbatterier. De kan rent teoretisk ha en energitetthet på hele 1700 Wh/kg.

Det tilsvarer energitettheten i bensin, når du tar hensyn til at elektromotoren er mye mer effektiv til å utnytte energien enn bensin- eller dieselmotoren.

Med andre ord: Med en slik energitetthet kommer du like langt på fulladet batteri som på en full bensintank med samme vekt.

På den andre side: IFE-forskerne er usikre på om oppladbare litium-luftbatterier noensinne blir mer enn luftige visjoner. Dessuten forbruker denne batteritypen oksygen fra lufta, og blir tyngre og tyngre ved bruk.

Brannfaren

Men jo større energimengder, desto større fare for at energien kommer ut av kontroll. Litium er et stoff som veldig lett reagerer med andre stoffer.

Batteriet kan ta fyr. Brannen er vanskelig å slukke, fordi batteriet inneholder oksygenholdige stoffer som holder forbrenningen ved like.

En bensinbrann kan også spre seg, hvis bensintanken springer lekk.

En batteribrann holder seg derimot på stedet, men for en bevisstløs person inne i kupéen blir forskjellen akademisk, framholder IFE-forskerne.

På den andre siden frigir batteribrannen mindre energi enn bensinbrannen, takket være den effektive elektromotoren.

Den klarer seg jo med mindre energimengder for å kjøre samme strekning som bilen med bensinmotoren.

Få ulykker

Likevel har noen få ulykker gjort bilfabrikantene svært forsiktige, forteller IFE-forskerne.

De understreker at sikkerheten er svært viktig. Useriøse batteriprodusenter kan bli et problem i et opphetet marked med stor etterspørsel. Og hvis man mekker på batteriene selv, vil situasjonen bli veldig mye verre.

En slik privat ombygging av en Nissan Qashquai til elbil førte til batteribrann på danskebåten Pearl of Scandinavia i midten av november, 2010.

De få elbilbrannene som har vært i de siste åra, har oppstått etter slike ombygginger av biler, får forskning.no opplyst hos Norsk Elbilforening.

Levetid

Hvis du som elbileier stirrer deg blind på rekkevidde og energitetthet, kan du få en overraskelse. Hva hjelper det at du kommer langt de første turene, hvis batteriet ganske raskt blir slapt og skrøpelig?

Levetida til batteriet er et annet viktig kvalitetsmål, framholder IFE-forskerne.  Og nettopp kort levetid har tradisjonelt vært den største svakheten til litium-ionbatterier.

Kravene til PC- og mobilbatterier er bare noen hundre til få tusen oppladninger. Forsøk på IFE har vist at de nyeste og beste litium-ionbatteriene for elbiler kan klare flere tusen oppladinger.

Litium-fosfatbatteriet kan også gi lengre levetid, hvis vi godtar litt lavere energitetthet. Denne varianten av litium-ionbatteriet er også sikrere, og inneholder ikke miljøgiften kobolt, som også er kostbar å utvinne.

Kuldefølsom

Skilpadder er varmekjære dyr, og det samme er elbiler. Hvis gradestokken synker, er veien kortere før  elbilen går i skilpaddemodus.

Under null grader synker rekkevidden til rundt det halve, ifølge prosjektleder Rolf Hagmann fra Transportøkonomisk institutt.

Han deltar i forskningsprosjektet RekkEVidde, som er i ferd med å kartlegge virkelig rekkevidde med forskjellige kjøremønstre i nordiske land.

Resultatene fra testbaner nord i Sverige og i laboratoriene til det finske forskningssenteret VTT er en kalddusj for de som vil kjøre elbil til fjells i vinterferien.



Kaldt vintervær er verken bra for skilpadder eller rekkevidden til elbiler.

Hans Håvard Kvisle i Norsk Elbilforening mener at studien er interessant, men ikke bred nok i forhold til elbilmodellene i dagens marked. For det finnes løsninger.

Zebra-batteriet

Ett av batteriene som virkelig kan motstå kulde, kommer merkelig nok fra Afrika. Zebra-batteriet kalles det, en forkortelse for Zeolite Battery Research Africa Project, videreutviklet ved Council for Scientific and Industrial Research (CSIR) i Pretoria, Sør-Afrika.

Zebrabatteriene lager strøm fra kjemiske reaksjoner der det dannes vanlig koksalt. For at reaksjonene skal gå, må saltet være smeltet. Det må altså holde en jevnt høy temperatur på over 270 grader.

For å slippe store varmetap, må hele batteriet kapsles inn i en stor termos og varmes opp hele tida. Det krever litt strøm og gir et visst energitap. Bilen kan heller ikke stå parkert uten strømtilkobling lenge om gangen.

På den andre siden: Ved 270 grader blir forskjellen på en norsk sommer og vinter ganske ubetydelig i sammenligning. Ytelsen blir tilnærmet like bra uansett årstid.



Elbilen Think bruker ZEBRA-batterier, som er utviklet i Sør-Afrika. Her er en Think-bil fotografert i nettopp dette landet. (Foto: Think)

Det kan eiere av elbilen Think skrive under på. De opplever en ganske stabil kjørelengde, sommer som vinter, med denne typen batterier.

Zebrabatteriet bruker dessuten ingen giftige, sjeldne og kostbare råstoffer, har god holdbarhet og bare litt dårligere energitetthet enn dagens litium-ionbatterier.

Kompromiss og skepsis

Hvilket batteri som er best, er altså ikke entydig. Batteriene er kompromisser mellom forskjellige egenskaper: energitetthet, sikkerhet, levetid, kuldemotstand, miljøvennlighet og pris.

Nettopp miljøproblemer og høy pris er de to store ankepunktene som elbilskeptikere griper fatt i.

En ny studie fra NTNU viser at produksjonen av bilbatterier og systemene for elektrisk framdrift dobler utslippene av sotpartikler, smog og giftstoffer i forhold til produksjonen av en vanlig bensin- og dieselbil.

NTNU-studien er likevel både nøktern og delvis vennlig innstilt til elbiler. Det er ikke den amerikanske advokaten John Petersen, som driver økonomisk rådgiving innen sektoren for alternativ energi.

- Drep elbilen!

Han har slaktet elbilen i flere artikler på nettsiden altenergystocks.com. Artiklene har fargerike titler som: Det er på tide å drepe den elektriske bilen, drive en stake gjennom hjertet og brenne kadaveret.

I artikkelen med denne tittelen, viser han til at produksjon av litium-ionbatterier og elektromotorer krever sjeldne jordmetaller.

Mange av disse stoffene, bortsett fra litium, er mangelvare. Prisene stiger enda raskere enn energiprisene, etter at råvaregiganten Kina delvis har lagt lokk på eksporten for å presse opp prisene til et kunstig høyt nivå.

Skulle alle kjøre rundt i elbiler, hevder Petersen, ville vi ikke få nok av disse sjeldne stoffene til å lage batteriene og motorene. Annen elektronikk og industriprodukter trenger dessuten de samme stoffene.

Petersen mener også at litium-ionbatterier er et resirkulerings-mareritt. Det eneste stoffet som er dyrt nok til at det er lønnsomt å resirkulere, er kobolt.

Hvordan materialene på den ene siden er for billige til å resirkulere, men på den andre siden for dyre til å produsere batterier av, gir ikke artiklene til Petersen noe klart svar på.



Kobolt brukes i mange litium-ionbatterier. Det er ikke et sjeldent jordmetall, men likevel kostbart, og derfor lønnsomt å gjenvinne.

Litium-ionebatteriene som rene elbiler bruker, inneholder ingen sjeldne jordmetaller, innvender IFE-forskerne.

Det er bare magnetene i elmotoren som må lages med slike stoffer, og de er enkle å resirkulere. Dessuten vil trolig prisene på de sjeldne jordmetallene synke igjen, når andre land får opp produksjonen for å erstatte bortfallet fra Kina.

Lang vei fram

Selv om IFE-forskerne Martin Kirkengen og Preben Vie forsker på batterier og har tro på elbilen, mener også de at veien fra ny teknologi til masseproduksjon av billigere og renere batterier kan være lengre og tyngre enn mange håper på.

Nylig har den amerikanske batteriprodusenten A123 søkt beskyttelse mot konkurs. A123 utvikler de lovende, miljøvennlige litium-fosfatbatteriene.

Likevel  ser IFE-forskerne at utviklingen nå skyter fart. Norge kan bidra med sin kompetanse innen silisiumproduksjon for å utvikle litium-ionbatteriene videre, mener de.

Optimist


Hans Håvard Kvisle.

Hans Håvard Kvisle i Norsk Elbilforening deler denne forsiktige optimismen. Han synes skeptikere som Petersen er fullstendig fantasiløse, og at problemene rundt produksjon av elbilbatterier kan løses på sikt.

Idag er det flere lovende batteriteknologier med høy energitetthet, tilstrekkelig sikkerhet og en levetid som vil gi elbilene både nok kjørelengde og en konkurransedyktig pris, mener Kvisle.

Men det vil ta årevis å flytte de nye teknologiene fra laboratoriet til kommersiell produksjon. I mellomtida må elbileierne gjøre det beste ut av hva som finnes på markedet i dag.

Slankekur

Kvisle mener også at problemet med for lav rekkevidde kan løses med å angripe regnestykket fra den andre enden, nemlig vekten på bilen.

En Nissan Leaf veier i dag rundt 1700 kilo. Hvis vekten kunne reduseres til 800 kilo, kan rekkevidden mer enn dobles, når du også tar hensyn til mye mindre energiforbruk ved akselerasjon.

BMW arbeider med karbonfiber for å få ned vekten, og Audi med aluminium. Tyske bilprodusenter arbeider med nye, smartere elbilløsninger. 

Det er en del barrierer på kort sikt, og vi trenger et kvantesprang i batteriteknologien hvis elbilen skal ta over all transport.

Derfor er det så fint at det jobbes parallellt med mange forskjellige nye teknologier, mener Kvisle.

Teksten er justert 26.10.2012

Lenker:

Avdeling for energi- og miljøteknologi, Institutt for energiteknikk på Kjeller

Anders Hammer Strømman et.al: Comparative Environmental Life Cycle Assessment of Conventional and Electric Vehicles, Journal of Industrial Ecology, 4. oktober 2012, DOI: 10.1111/j.1530-9290.2012.00532.x (om miljøbelastninger ved produksjon av elbiler/batteri)

John Petersen: 10 Reasons Why Electric Drive Is Stranded On The Bleeding Edge Of Transportation Technology, Seeking Alpha (med lenker til sentrale artikler på nettstedet altenergystocks.com)

Nettsidene til Norsk Elbilforening

 

 

Annonse

forskning.no ønsker en åpen og saklig debatt. Vi forbeholder oss retten til å fjerne innlegg. Du må bruke ditt fulle navn. Vis regler

Regler for leserkommentarer på forskning.no:

  1. Diskuter sak, ikke person. Det er ikke tillatt å trakassere navngitte personer eller andre debattanter.
  2. Rasistiske og andre diskriminerende innlegg vil bli fjernet.
  3. Vi anbefaler at du skriver kort.
  4. forskning.no har redaktøraransvar for alt som publiseres, men den enkelte kommentator er også personlig ansvarlig for innholdet i innlegget.
  5. Publisering av opphavsrettsbeskyttet materiale er ikke tillatt. Du kan sitere korte utdrag av andre tekster eller artikler, men husk kildehenvisning.
  6. Alle innlegg blir kontrollert etter at de er lagt inn.
  7. Du kan selv melde inn innlegg som du mener er upassende.
  8. Du må bruke fullt navn. Anonyme innlegg vil bli slettet.

Elbil

Elbiler er raske, lydløse og etterhvert også stilige, men er elbilene så miljøgrønne som ryktet vil ha det til?

Og hvor realistisk er det at folk kjøper elbil som bil nummer en?

Forskning.no vil i denne artikkelserien ta det store overblikket og kikke under panseret på bilene som har stikkontakt i nesa.

Artiklene i denne serien er:

Annonse

Annonse