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.  

 

 

 

Athugasemdir

[Jósef Smári Ásmundsson, 14.11.2017 kl. 10:02]

Það er einn hlutur sem leikmaðurinn ég hef verið að velta fyrir mér í sambandi við rafbílana sem þú gætir kannski svarað. er verið að nota hefðbundið kælikerfi á núningsfletina, þ.e. smurolíu eða er þróunin komin í einhvers konar seguldæmi?

[Bjarni Jónsson, 14.11.2017 kl. 13:21]

Sæll, Jósef Smári;

Það er almennt ekki notuð smurolía í rafbílum og gír og gírolía eru óþörf, en legur smurðar með smurfeiti.  Ef notaðar eru hvítmálmslegur, sem ég þó veit ekki til, að séu í rafbílum, er notað sjálfvirkt smurkerfi með smurolíu. 

Vægi  (torque) sprengihreyfils er mjög háð snúningshraðanum, og þess vegna er gírkassi nauðsynlegur sem tenging sprengihreyfils og drifbúnaðar hjólanna.  Þessu er alveg öfugt farið með rafhreyflana, bæði DC og AC.  Með örtölvustýrðum kraftrafeindabúnaði til að aflstýra rafhreyflunum, er gírkassinn óþarfur í rafbílum.  Þetta minnkar töp, léttir bílinn og gerir hann einfaldari í hönnun, samsetningu og rekstri.

[Ómar Ragnarsson, 14.11.2017 kl. 13:56]

Takk fyrir þetta ágæta spjall. Fyrir tæpum 40 árum datt mér í hug að nýyrðið tog gæti reynst þjálla en það íslenska nýyrði sem þá var notað, snúningsvægi. 

Það er mikilvægt í nýyrðasmíði að íslenska heitið sé helst ekki fleiri atkvæði en hið erlenda, - ég tala nú ekki um ef það íslenska er styttra. Þess vegna gengu nýyrði eins og þyrla í gegn. 

Tog er eitt atkvæði en vægi er tvö atkvæði og snúningsvægi er fjögur atkvæði. 

Heitið tog táknar að vísu 90 gráðu stefnubreytingu miðað við heitið vægi, en táknar samt átakið sjálft sem beinist að því að láta hreyfilinn "toga" bílinn áfram. Þetta finnst vel ef bíll dregur annan bíl, "togar" hann áfram. 

Þar að auki er ákveðin hljóðlíking á milli orðanna "tog" og "torque", - og enn má nefna að tog gerir mögulegt að leiða af því sagnorðið að toga, en orðið vægi gefur ekki færi á slíku.

Allir skilja hvað átt er við þegar sagt er: Bíllinn / hrayfillinn "togar" vel. 

[Bjarni Jónsson, 14.11.2017 kl. 19:00]

Þú hefur mikið til þíns máls, Ómar.  Orðabók Menningarsjóðs (Marðar Árnasonar) tekur ekki af skarið með þetta.  Norðmenn nota orðið "moment" um þetta hugtak, sem eðlisfræðilega er "armur x kraftur", og SI-einingin því Nm.  Togkrafturinn getur út af fyrir sig virkað undir hvaða horni sem er á arminn, t.d. hornrétt, og þá er vægi hans mest.  Mér lízt vel á tillögu þína og rámar í að hafa annars staðar séð tog notað um vægi.  Ég ætla að taka upp orðið tog, og ég þakka þér kærlega fyrir þessa ábendingu.  

[Jónas Gunnlaugsson, 14.11.2017 kl. 19:33]

Ég hef ekki tekið þátt í umræðunni, en gott er að skoða þessar umsagnir.

Með hverju árinu verða geymarnir betri.

Mér sýnist bíllinn allgóður.

Hér er einn að meta vagninn.

Ég heyri þetta ekki vel, yrði að hlusta betur.

Fjöðrun hlýtur að vera sterkari.

000

Top 10 Reasons Not to Buy the Mitsubishi Outlander PHEV | AutoExpert John Cadogan | Australia

https://www.youtube.com/watch?v=z54jWVE6JSg

Spila frá  mín 5:19

Aukaþungi 333 kg

 Orka geymd samsvarar 1,25 ltr

12 kWh in the battery

000

Mitsubishi Outlander PHEV Review: 10 things you need to know

https://www.youtube.com/watch?v=M89XcZ7Aolg

Boot ltr

Outlander               591 ltr - farangursrými  -  bensín, dísel ?

Outlander PHEV    463 lir  -  farangursrými -  PHEV

Egilsstaðir, 14.11.2017  Jónas Gunnlaugsson

[Guðmundur Jónsson, 15.11.2017 kl. 15:51]

Snúninsvægi er ekki tog. Orðið tog er notað í íslensku tæknimál um statískan kraft. Þeir sem ræða og rita um aflfræði þurfa að geta talað um snúningsvægi og tog jafnvel í sömu setningunni. Á þá að nota tog-metrar eða ?

[Guðmundur Jónsson, 15.11.2017 kl. 19:38]

AC mótorar þurfa spennu með nær fullkomnu sin- formi annars er mikill hávaði og orkutöp í þeim. Þeir eru því að mestu aflagðir í þessu. I dag eru næstum allir að nota það sem kallast kolalausa DC mótora sem ganga hljóðlaust og án tapa á kassapúlsum. Kolalausir dc mótorar eru í reynd ein mesta eða mesta framförinn í rafmagsbílum á þessari öld. 

[Bjarni Jónsson, 16.11.2017 kl. 11:24]

Þeir, sem vilja útvíkka hugtakið tog, tala ekki fyrir því að leggja gömlu merkinguna niður.  Af samhenginu verður alltaf augljóst, hvort um togkraft eða togvægi er að ræða.  Tog fyrir "torque" hefur greinilega unnið sér nokkurn sess í bílgeiranum. SI-eining fyrir togvægi er að sjálfsögðu margfeldi krafts og arms, Nm.

Þróun kraftrafeindatækni hefur einmitt leitt til þess, að fyrir tiltölulega litla aflgjafa, eins og í bílum, næst viðunandi hrein sínuskúrfa, a.m.k. að mati framleiðanda Teslu Model 3 og Chevy Volt og Chevy Bolt, svo að þekkt dæmi séu nefnd um riðstraumshreyfla fyrir drifbúnað rafbíla.  Í Tesla-3 eru notaðir 3 fasa, 6 póla sísegla ("permanent magnet") hreyflar.  Í þyrildum (drónum) eru nánast einvörðungu notaðir riðstraumshreyflar.  

[Guðmundur Jónsson, 16.11.2017 kl. 12:37]

https://www.tesla.com/blog/induction-versus-dc-brushless-motors

Niðurla þessarar greinar sem er eftir Wally Rippel, Principal Power Electronics Engineer at TESLA er svona:

Still No Winner My conclusion is that DC brushless drives will likely continue to dominate in the hybrid and coming plug-in hybrid markets, and that induction drives will likely maintain dominance for the high-performance pure electrics. The question is what will happen as hybrids become more electrically intensive and as their performance levels increase? The fact that so much of the hardware is common for both drives could mean that we will see induction and DC brushless live and work side by side during the coming golden era of hybrid and electric vehicles.

Þarna er maðurinn sem er að mínum dómi ábyrgur fyrir einu stærsta klúðri Telsa frá upphafi, að reyna að réttlæta fyrir sjálfum sér og öðrum klúðrið að halda áfram að nota AC induction þegar allir aðrir fóru í Brusless DC.

AC induction mótorar eru með aðeins verri nýtni og þeir þurfa ekki stöðuskynjara í mótorinn en það er flókanar að nota þá til að hlaða batterí því það Þarf afriðill. Það er rétt að þeir eru mjög praktískir og mikið notaðir í dróna og tæki þar sem ekki þarf að nota mótorana til að hlaða batterí.

[Guðmundur Jónsson, 16.11.2017 kl. 13:52]

Eftir að haf lesið mér aðeins til um mótorinn í Tesla model 3 þá er ljóst að það er fyrsts skref tesla frá AC induction mótorum inn í framtíðina með okkur hinum.