Kostir og tímabundnir gallar rafmagnsbíla

Rafmagnsbílar komu fram á sjónarsviðið strax í upphafi bílaaldar, enda einfaldari í hönnun og smíði en bílar knúnir sprengihreyfli, en rafbílar stóðust hinum ekki snúning, hvað drægni og "áfyllitíma" varðaði.  Þá entust blýrafgeymarnir illa, svo að rafbílar hurfu fljótlega af sjónarsviðinu.  

Árið 1973 varð olíukreppa í heiminum, og OPEC-samtök olíuframleiðsluríkja, beittu samtakamætti sínum í fyrsta sinn til að þvinga fram margföldun olíuverðs.  Á sama tíma kom fram á sjónarsviðið kraftrafeindatækni ("power electronics") með þróun týristorsins, sem gerði aflstýringu bæði jafnstraums- og riðstraumsbúnaðar (DC og AC) mun einfaldari og fyrirferðarminni en áður hafði verið. Við þessar viðskiptalegu og tæknilegu aðstæður gengu rafbílar í  fyrsta sinn í endurnýjun lífdaganna, en þeir náðu þó enn ekki hylli vegna rafgeymanna, sem enn voru gömlu blýrafgeymarnir með brennisteinssýru.  

Vegna týristortækninnar og þróunar tölvutækninnar varð á lokaáratugi 20. aldarinnar tæknilegur grundvöllur fyrir því að nýta hinn margreynda, trausta og endingargóða AC-hreyfil, sem er notendavænni en DC-hreyfillinn, því að hann slitnar hægar, þarfnast minna viðhalds og hefur meira vægi (torque) við háan snúningshraða.  Gallarnir við hann eru fólgnir í áriðlinum, sem er viðbótar kraftrafeindabúnaður, með rafmagnstöpum, til að breyta jafnstraumi í riðstraum. 

Á þessari öld hefur svo orðið gegnumbrot fyrir rafbílinn inn á bílamarkaðinn með nýrri gerð rafgeyma, s.k. liþíum-jón rafgeymar, og vegna örvæntingarfullrar leitar að möguleikum til að draga úr losun gróðurhúsalofttegunda.  Liþíum-jón rafgeymar hafa marga kosti umfram hina hefðbundnu blýrafgeyma, s.s. a.m.k. þrefaldan orkuþéttleika (yfir 100 Wh/kg), meiri endingu (a.m.k. 1200 hleðslur), og flestir Li-jón bílrafgeymar þola hraðhleðslu á margföldu venjulegu hleðsluafli upp í 80 % málorku rafgeymanna.

Þrennt er nú helzt haft uppi gegn rafbílum: 

1. Verð rafbíla er hærra en eldsneytisknúinna bíla vegna þess, að hinir fyrr nefndu hafa enn á sér áhvílandi þróunarkostnað og eru framleiddir í litlu upplagi, innan við 3 % af hinum (tengiltvinnbílar þá taldir með rafbílum).  Það eru þó færri íhlutir í rafbílum, og þeir eru í raun einfaldari að gerð.  Þegar fram í sækir geta þeir þess vegna orðið ódýrari en eldsneytisknúnir bílar, vegna þess að verð Li-jón rafgeymanna fer enn lækkandi, og kostnaður þeirra  er lítt háður verði á liþíum. Viðhaldskostnaður rafbíla er lægri, þótt endurnýjunarkostnaður rafgeyma sé tekinn með í reikninginn. Orkukostnaður rafbíla á Íslandi er innan við 40 % af orkukostnaði benzínbíla m.v. núverandi raforkuverð og benzínverð, að meðtöldum töpum við hleðsluna og þrátt fyrir lágt meðalhitastig hérlendis.  Árið 2018 má búast við, að 4 ára eignarhaldskostnaður rafbíla og tengiltvinnbíla á Íslandi verði lægri en eldsneytisbíla vegna lækkandi framleiðslukostnaðar. Samt er ekki búizt við, að sala rafbíla hinna hefðbundnu bílaframleiðenda fari að skila hagnaði fyrr en um og eftir miðjan næsta áratug. 
2. Akstursdrægni á hverri rafgeymahleðslu þykir of stutt.  Meðalakstur fjölskyldubíla hérlendis er um 35 km/dag.  Að sumarlagi endist hleðsla tengiltvinnbíla fyrir þennan akstur (orkunýtnin versnar við kólnandi veður um allt að 3 %/°C frá meðalnýtni ársins), og minni rafgeymana í rafbílum þarf þá að hlaða á 2-4 daga fresti.  Nú eru hins vegar að koma á markaðinn rafbílar (Chevrolet Bolt, Tesla Model 3) með 75 kWh rafgeyma, og enn stærri rafgeymar eru í stærri Teslu-gerðum.  Á 75 kWh komast menn þó 300 km á hleðslu að sumarlagi, sem dugar flestum, a.m.k. á milli hraðhleðslustaða. 
3. Langan endurhleðslutíma setja margir fyrir sig.  Full endurhleðsla á 75 kWh rafgeymum með 15 kW (3x32 A tengill) getur nú farið fram á 5 klst, sem dugir fyrir ódýrasta orkukaupatímabilið erlendis, á milli kl. 0100-0600, en þá fæst orkan sums staðar á hálfvirði, og þannig þarf það að verða hér til að nýta raforkukerfið með bezta móti og lágmarka fjárfestingarþörf. Innleiðing slíkrar gjaldskrár er tímabær og jákvæður, þjóðhagslega hagkvæmur hvati fyrir rafbílainnleiðingu hérlendis.   

Nú er að renna upp fyrir bílaframleiðendum, sem ákveðið hafa að venda sínu kvæði í kross og auka framboð á rafbílum til mikilla muna á fyrri hluta næsta áratugar, að framleiðslugeta rafgeymaverksmiðjanna í heiminum er of lítil.  Nú eru framleiddar um 2,0 M/ár bifreiða, sem knúnar eru að einhverju leyti með liþíum-jón rafgeymum.  Ef meðalstærð rafgeyma í þessar 2 M bifreiða er 25 kWh, þá þarf árleg framleiðslugeta rafgeymaverksmiðjanna að vera 50 GWh/ár, og hún er líklega nálægt þessu gildi núna.  Ef framleiða á 10 M rafbíla árið 2025, eins og hugur bílaframleiðenda stendur til (13 % nýrra fjölskyldubíla), t.d. 6 M með drægni 300 km og 4 M með drægni 100 km eða minni (tengiltvinn), þá þá þarf að 11-falda þessa framleiðslugetu á 7 árum. Það er gríðarlegt fjárfestingarátak og gott dæmi um þau útlát, sem orkubyltingin útheimtir.  

Þá vaknar spurningin um það, hversu lengi þekktar birgðir liþíums í náttúrunni munu endast ?   

Það þarf um 160 g Li/kWh.  Fyrir ársframleiðsluna 550 GWh af rafgeymum (áætluð þörf 2025) þarf 88 kt af Li.  Þekktur forði af hreinu Li í heiminum er 14 Mt, svo að hann mundi endast í 160 ár, ef hann færi bara í bílarafgeyma.  

Um miðja 21. öldina gæti framleiðsla rafbíla hafa aukizt í 70 M bíla með að meðaltali 75 kWh rafgeyma hver.  Þá þarf framleiðslugetan að hafa tífaldazt á við 2025 og nema 5250 GWh/ár.  Það þýðir árlega þörf fyrir Li í bílarafgeyma 0,84 Mt.  Ef 14 Mt verða til ráðstöfunar í bílarafgeyma, verður hægt að halda uppi þessum afköstum í 17 ár.  Fyrir miðja öldina verður þess vegna að finna meira af liþíum, og svo vill til, að í höfunum er talið vera gríðarlegt magn eða 230 mia t af Li.  Áreiðanlega mun liþíum verða í samkeppni við önnur efni og rafgeymar í samkeppni við annars konar orkuform (geymsluaðferðir orku), er hér verður komið sögu.  

Það er reyndar ekki líklegt, að á miklu liþíum úr hafinu verði þörf.  Líklegra er, að þegar á næsta áratugi komi fram nýir orkugjafar, t.d. lítil þóríum kjarnorkuver, sem endast muni allan notkunartíma bílsins, og mengunarfríir eldsneytisrafalar, sbr vetnsisknúnir rafalar, eiga mikla þróunarmöguleika fyrir höndum.