Akkilesarhæll rafbílavæðingarinnar

Orkuberinn (orkugeymslan-rafgeymar) er Akkilesarhæll rafbílavæðingarinnar. Það stafar af litlum orkuþéttleika (kWh/kg) rafgeymanna og þar af leiðandi tiltölulega lítilli drægni. Vetni vetnisrafalanna hefur mun meiri orkuþéttleika, en orkunýtnin frá framleiðslu vetnis til nýtingar þess er hins vegar slök.

Sumir evrópskir bílaframleiðendur, sem enn hafa ekki sett alrafbíl á markaðinn, boða, að fyrsta kynslóð slíkra muni hafa drægnina 500 km á fullri hleðslu rafgeyma.  Fyrir íslenzkar aðstæður gæti það þýtt um 260 km að jafnaði yfir árið, en drægnin er mjög háð útihitastigi.  Samkvæmt reynslunni af tengiltvinnbíl höfundar gæti meðalnýtni orðið 0,35 kWh/km hérlendis, sem m.v. 90 kWh rafgeymi gefur tæplega 260 km drægni, sem er óþægilega stutt. Þróunin er hins vegar hröð, einnig í rafgeymum, svo að meðalnýtni kann að hafa batnað um 14 % á þremur árum, og þá verður meðaldrægnin 300 km á einni hleðslu árið 2019. 

Valkosturinn við rafgeyma sem orkubera er vetni, H2.  Það gefur kost á lengri drægni á einum vetnisgeymi en 300-500 km, og eru 1000 km fyrir fólksbíl sennilega ekki vandamál, þótt 500 km sé algengari drægni vetnisknúinna bifreiða nú.  Þar af leiðandi þarf færri áfyllistöðvar, og hver 100 % áfylling tekur mun skemmri tíma en hraðhleðsla frá 0 upp í 80 % af orkurýmd rafgeyma.

Orkulega séð hefur orkuberinn vetni þann alvarlega ókost, að orkunýtni hans er aðeins hálfdrættingur á við orkunýtni rafgeymisins, ef orkutöp við vinnslu vetnis eru meðtalin, og svipar þar með til beztu orkunýtni í sprengihreyflinum.  Leggja má eftirfarandi mat á orkunýtnina:

Vetni:   Aðalaðferðin við framleiðslu vetnis, H2, og sú ódýrasta er að skilja vetnissameind frá sameind eldsneytisgass, en það er hins vegar umhverfislega ósjálfbær aðferð.  Þess vegna hefur verið gripið til þess ráðs að sundra (tveimur) vatnssameindum, H2O, með rafstraumi í (tvær) vetnissameindir og eina súrefnissameind (O2).  Ferlið nefnist rafgreining, og þarf 9 kg af vatni til að framleiða 1 kg af vetni og 8 kg af súrefni.  Þetta er umhverfislega sjálfbært ferli, en kostnaðarlega varla vegna dýrs búnaðar og hárra orkutapa, sem eru um 20 %.

Efnarafalar (fuel cells) snúa þessu ferli við og nota vetni til að framleiða rafstraum og gufu.  Þeir eru enn í þróun, eru dýrir í innkaupum (lítið upplag) og dýrir í rekstri, því að orkunýtni þeirra er lág, aðeins um 50 %.  Heildarnýtni vetnisvinnslu og efnarafala:

HNvetni = 0,8 x 0,5 = 40 % (um 30 % að hjólum)

Með sams konar hugleiðingu má leggja mat á nýtni rafbíls með rafgeyma.  Töp við hleðslu rafgeymanna eru um 10 % (gleymist oft, þegar raforkukostnaður rafbíls er reiknaður).  Töp við afhleðslu rafgeymanna eru um 10 %.  Heildarnýtni rafgeyma inn og út:

HNrafg = 0,9 x 0,9 = 81 % (um 65 % að hjólum)

Rafgeymarnir nýta orkuna rúmlega tvöfalt betur en vetnisrafalinn.  Þetta er mikill kostur, en dugar rafgeymunum samt ekki til ótvíræðra yfirburða sökum þess, að þeir hafa enn stórgalla.  Orkuþéttleiki og þar með drægni á hleðslu er miklu minni en vetnisrafalans, og það eru fyrir hendi alvarlegir flöskuhálsar við útvegun torgæfra málma í algengustu rafgeymana, s.k. liþíumrafgeyma.  Verður nú gerð grein fyrir þeim með vísun til The Economist, 24. marz 2018, bls. 65-66:

Kobalt-málmurinn dregur nafn sitt af Kobold, stríðnum þýzkum búálfi, sem hélt sig mikið neðanjarðar samkvæmt þjóðtrúnni.  Kobalt villti um fyrir námuverkamönnum um aldir með því að líta út fyrir að vera verðmætur málmur, en var svo verðlaus og jafnvel skaðlegur, þegar til kastanna kom.  Enn er hætt við, að kobalt valdi vandræðum, nú á stækkandi markaði rafgeyma fyrir rafbíla, sem hver um sig þarf 10 kg af kobalti.  Uppruni vandræðanna er ekki í Þýzkalandi í þetta skiptið, heldur í Kína.

Það er kunnara en frá þurfi að segja, að meira en helmingur þekkts kobalts í jörðu og meira en helmingur vinnslu þess úr jörðu á sér stað í hinu óstöðuga "Lýðræðislega lýðveldi Kongó".  Það er síður þekkt, að 80 % af úrvinnslu kobaltsúlfíða og kobaltoxíða, sem notuð eru í bakskaut liþíum-rafgeymanna, fer fram í Kína.

Mikið af eftirstandandi 20 % úrvinnslunnar á kobaltinu fer fram í Finnlandi, en hráefnið í hana kemur líka frá námu í Kongó, sem að meirihluta til er í eigu kínversks fyrirtækis, "China Molybdenum".

Þann 14. marz 2018 þyngdust áhyggjur bílaframleiðenda og annarra vegna kverkataks Kínverja á kobalt-vinnslu heimsins, þegar GEM, kínverskur rafgeymaframleiðandi, tilkynnti, að hann myndi kaupa þriðjung af kobalti Glencore, stærsta kobaltnámufyrirtækis heims, á árabilinu 2018-2020, jafngildi helmings af heimsframleiðslunni, 110 kt, árið 2017.  

Það er líklegt, að þetta leiði til áframhaldandi verðhækkana á kobalti, en það hefur hækkað úr 26,5 kUSD/t árið 2016, rétt áður en miklar verðhækkanir hófust, og upp fyrir 90 kUSD/t á fyrsta fjórðungi 2018. Núverandi einingarverð á kobalti er meira en 40 sinnum hærra en núverandi verð á óunnu áli á markaði.  Það er til mikils að vinna að þróa nýja gerð rafgeyma, sem t.d. nýta ál (álrafgeymar).

Þessa gríðarlegu áherzlu Kínverja á að tryggja sér hörgulefnið kobalt má rekja til örvæntingarfullra aðgerða þeirra til að tryggja framgang metnaðarfullra ríkisáætlana Kína um að stórauka framleiðslu rafmagnsbíla fyrir innanlandsmarkað til að draga úr hættulegri loftmengun í stórborgum Kína.  Hún veldur tugþúsunda dauðsfalla á ári og er orðin mikið óánægjuefni á meðal borgarbúa í Kína í garð yfirvalda. 

George Heppel hjá ráðgjafarfyrirtækinu CRU segir, að auk kaupa GEM á þriðjungi kobalts frá Glencore, muni kínverska Molybdenum hugsanlega flytja kobaltið sitt frá Kongó til Kína fremur en til Finnlands, og þar með mundu Kínverjar ráða yfir 95 % af kobaltvinnslu heimsins.  Stórir notendur kobalts eru tæknifyrirtæki í Japan og í Suður-Kóreu, og þar hafa menn miklar áhyggjur af ríkjandi stöðu Kínverja sem kobaltbirgjar og ekki að ástæðulausu, ef litið er til reynslunnar af kínverskum yfirvöldum. 

Fáir markaðsgreinendur eiga von á bættu jafnvægi á kobaltmarkaðinum á næstunni.  Námugröfturinn mun líklega vaxa í Kongó, en vaxtarhamlandi verður vafalaust nýleg fimmföldun námuleyfisgjalds fyrir kobalt þar í landi.  Fjárfestingar í kobaltnámum annars staðar auka framboðið varla, því að þar er kobalt aukaafurð við gröft eftir kopar og nikkel.  Jafnvel á núverandi verði er magnþörfin of lítil til að réttlæta framleiðsluaukningu á kobalti þar einvörðungu. Þessi staða kallar á nýjar lausnir með nýjum efnum. 

Eftirspurnaraukning kobalts getur orðið gífurleg, ef spurn eftir rafbílum vex, eins og vonir standa til alls staðar í heiminum.  Mest af kobaltinu fer nú í rafhlöður snjallsíma og ofurmelmi inni í hverflum þotuhreyflanna, en til að anna spurn eftir rafbílum gæti þörf fyrir kobalt í rafgeyma rafbíla aukizt úr 9 kt árið 2017 í 107 kt árið 2026, sem svarar til 10,7 M rafgeyma 2026 í nýja rafbíla, sem verða tæplega 10 % nýrra bíla.  Að auki verða sennilega nokkrar milljónir nýrra bifreiða árið 2026 með vetnisrafala, þannig að allt að 15 % nýs bílaflota gæti þá orðið rafknúinn.  

Hækkandi verð á kobalti mun kannski leiða til nýrrar námuvinnslu, en rafgeymaframleiðendur utan Kína eru samt nú þegar farnir að huga að öðrum valkostum til að verjast kobaltskorti.  Þeir horfa þá til málmsins nikkels.  

Algengustu málmarnir í málmblöndu bakskauta rafgeyma rafbílanna eru nikkel, mangan og kobalt, nefnd NMC, og nikkel, kobalt og ál, nefnd NCA.  Vegna verðhækkana og skorts á kobalti hafa sumir framleiðendur framleitt kobaltrýr bakskaut með því að auka nikkelinnihaldið í að verða áttfalt kobaltmagnið.  Þetta eykur orkurýmd rafgeymanna, en flækir framleiðsluferli bakskautsins, og hættara verður við íkviknun í rekstri rafgeymanna.  Kúnstin er að finna rétta hlutfallið á milli málmanna.

Aukin spurn eftir nikkeli hefur enn ekki leitt til verðhækkana á því vegna offramleiðslugetu frá 2011, þegar verðið lækkaði úr 29 kUSD/t undir 10 kUSD/t árið 2017.  Árið 2017 var framleiðsla nikkels fyrir rafgeyma rafbíla aðeins 35 kt af heildarframleiðslu nikkels, 2,1 Mt.  McKinsey-ráðgjafinn býst við 16-faldri eftirspurnaraukningu árið 2025 upp í 550 kt frá rafgeymaverksmiðjum fyrir rafbíla.  

Þær takmarkanir á frjálsum markaði fyrir bakskautaefni í rafgeyma, sem hér hafa verið reifaðar, eru líklega meginástæða þess, að japanskir og suður-koreanskir bílaframleiðendur verja nú háum upphæðum til þróunar á vetnisrafalanum og á vetnisgeyminum fyrir rafbíla.  Það er mun einfaldara að auka drægni á hverri hleðslu þessara bíla en rafbíla, sem knúnir eru liþíumrafgeymum.  Það mun verða spennandi barátta um rafbílamarkaðinn á milli þessara tvenns konar tæknilausna, sem hér hafa verið nefndar.

Þriðja lausnin getur hæglega rutt hinum tveimur úr vegi, a.m.k. í stórum farartækjum og vinnuvélum.  Það er þóríum-kjarnorkuverið, sem hægt á að verða að sníða að þörfum notandans á mjög stóru stærðarbili, alveg niður í 10 kW.  Helmingunartími úrgangsins er stuttur og geislavirknin nægilega lítil fyrir almenna notkun.  Ending slíks orkugjafa í bíl yrði ekki skemmri en ending bílsins. Á næsta áratugi mun skýrast, hvað ofan á verður í orkuskiptum samgöngugeirans á láði, legi og í lofti.   

 

 

 

 

Athugasemdir

[Guðmundur Jónsson, 12.8.2018 kl. 12:11]

Fróðlegt samantekt, en þetta finnst mér meira en Akkilesarhæll efnarafhlöðunnar þetta er ókleifur hamar eins og staðan er núna.

Staðreyndin er eða fyrirsjáanleg orkuþéttni efnarafhlöðu verður aldrei svo mikil að hún verði raunverulega umhverfisvæn og hagkvæm fyrir samgöngur í samanburði við bruna á kolvetnum. það er í reynd kostnaðarlega hagkvæmt í samanburði við rafmagnsbíla með efnarafhlöðu að framleiða og brenna bíó olíum með 0 kolefnis fótspori.

Þegar stóra myndin er skoðuð er kannski ekki vitlaust að setja fókussins á að nota bara olíur til að knýja áfram farartæki í það minnst þegar litið er til minna en 20 - 30 ára.

Ég er orðin þeirrar skoðunar  þéttar (þá kannski helst Graphene) séu í reynd eina vonin fyrir rafmangsfarartæki, þar er nýtnin út í hjól(skrúfu) 95%+  ,hleðslutíminn mældur í millisekúndum og fræðileg orkuþéttni meiri en í olíu.

[Bjarni Jónsson, 12.8.2018 kl. 12:58]

Já, við slítum nú barnsskónum varðandi orkuskipti landfartækja, og mikið vatn á eftir að renna til sjávar áður en almennileg lausn fæst.  Ég er sammála þér um, að ofurþéttar gætu verið þáttur í slíkri lausn.  Það var áformað að komast á þann stað 2017, að fjöldaframleiðsla þeirra gæti hafizt, en það hefur komið babb í bátinn, því að allt er nú á huldu um, hvenær slík framleiðsla getur hafizt.  Ofurþéttar eru sem sagt enn á þróunarstigi.  Mér segir samt hugur um, að jákvæðra tíðinda sé að vænta innan tveggja ára um kostnað og getu (orkurýmd) slíkra þétta.  

[Bjarni Jónsson, 12.8.2018 kl. 13:25]

Það er líka rétt, að framleiðsla á liþíum úr efnasamböndum með liþíum, sem grafin eru úr jörðu, er íþyngjandi fyrir umhverfið og ekki alls staðar sjálfbær.  Ástæðan er sú, að ferlið felur í sér margar "skolanir", þar sem notazt er við mengandi settjarnir og gríðarlega mikið af vatni, sem víða er hörgull á, eins og kunnugt er.  Vonandi tekst að þróa hagkvæmar aðferðir til endurvinnslu á kobalti, nikkeli, liþíum og öðrum verðmætum efnum úr aflögðum rafgeymum.  Nú fer að reyna á slíkt.  

[Hörður Þormar, 12.8.2018 kl. 15:27]

Maður sér nú ýmislegt á netinu, bæði satt og logið.

Ef ég man rétt sá ég fyrir nokkrum árum að Ísraelsher væri kominn með ál rafgeyma sem entust nokkur þús. km. Gallinn var þó sá að þeir voru ekki endurhlaðanlegir.

Seinna sá ég að í Stanford háskóla væru þeir langt komnir með að þróa Al-ion rafgeymi sem yrði væntanlega bæði endingarbetri og ódýrari heldur en Li rafgeymirinn.

Síðan þá hef ég lítið af þessu frétt.

[Bjarni Jónsson, 12.8.2018 kl. 18:29]

Það er rétt; það hefur afar lítið eða ekkert frétzt af þróun álgeymanna.  Þeir áttu að verða endurhlaðanlegir, en gallinn er sá, að rafgreiningarferli súráls krefst hás hitastigs í raflausninni.  Bræðslumark súráls er við 2000°C, en það má helminga það með krýólíti.  Það er samt hátt fyrir rafgeyma í farartæki.

[Valdimar Samúelsson, 13.8.2018 kl. 10:37]

Bjarni. Góð grein en ég man þegar ég var að læra þá var ákveðið dæmi sem maður lærði en það var það að ef bensínvél var látin framleiða rafmagi og síðan var rafmagnið látið vinna sem orka en hér er ekki rafgeymar í spilinu. Það var talið 20% orkutap eða þar um bil við þessi orkuskipti. Þetta var skólabókar dæmi en hver veit nema menn hafi galdrað betra dæmi en þetta. Eitt barnabarn mitt en það var verkefni um kosti rafbila en hann 13 snáðinn spurði mig. Afi getur verið að nota rafbíla í HongKong þar sem rafmagn er framleitt með Kolum.?

Það sem ég hef aldrei skilið er þessi feimni við stóru orkufyrirtækin er því vill engin horfa betur á methane dæmið. Kannski svar er að það storkar við olíufyrirtækjunum.  

[Guðmundur Jónsson, 13.8.2018 kl. 10:55]

Ég gramsaði aðeins með google og fann út að það er ef til vill ekki langt í að bílar verði með Super þéttum. það er búið að framleiða litla þétta sem eru með næstum sömu orkuþéttni og liþíumrafgeymar. Og það má vera ljóst að um leið að slík vara er orðin framleiðinleg í einhverju magni á hagkvæmu verði verður hægt að nota land-rafmagnsfaratæki á hagkvæman hátt,  svo framtíðin er óvíss í þessu eins og öðru.

[Bjarni Jónsson, 13.8.2018 kl. 18:49]

Orkuþéttleiki ofurþétta, lítilla eða stórra,  mældur í kWh/kg, hlýtur að vera hærri en liþíum-rafgeymanna, en orkurýmd tilraunaþéttanna í kWh kann að vera í kringum 50 kWh um þessar mundir, en getur hæglega orðið tíföld og skákar þar með vetnisgeymum, hvað drægni varðar.  Flöskuhálsinn verður dreifikerfið.  Það mun setja hleðslutímanum skorður.  

[Bjarni Jónsson, 13.8.2018 kl. 18:52]

Valdimar;

Það er ekki góður orkubúskapur að láta bensínhreyfil knýja rafhreyfil.  Það þarf rafgeymi, svo að glóra sé í þeim búskap, því að þá má nota hemlunarorku til að hlaða inn á rafgeymana. 

[Guðmundur Jónsson, 14.8.2018 kl. 08:56]

Rafmagnsbíll með ofurþéttum þarf 15-20% ninni orku en Rafmagsbíll með efnarafhlöðu,  dreifikerfið getur þá verið minna sem því nemur að heildar afli (KWh) . Hleðslustöðin er svo vitanlega þéttir af passandi stærð fyrir áfyllinguna og þannig verður dreifikerfið líka minna í toppafli (KW). 

[Bjarni Jónsson, 14.8.2018 kl. 10:25]

Stærð hleðslustöðvarinnar er aðeins að litlu leyti háð nýtninni, en aðallega af stærð ofurþéttis farartækisins í kWh og þeim tíma, sem valið er að verja til endurhleðslu.  Það er tómt mál að tala um toppafl hér, álagið í kW við endurhleðslu er jafnt og ákvarðast einvörðungu af impedansi ofurþéttisins, 1/wC, og rafspennunni, sem beitt er.  Aflinu og tímanum er þannig unnt að stýra með spennubreyti og/eða riðbreyti.  Það er fremur ólíklegt, að lagt verði í kostnað á hleðslustöðvunum við kaup og uppsetningu á öðrum ofurþéttum til að hlaða hina, enda kemur alltaf að því fyrr en síðar, að hlaða þarf "hleðsluþéttana", svo að ávinningurinn er nánast enginn. 

Eftir stendur, að ofurþéttar eru áhugaverðir sem orkuberar fyrir rafknúna bíla.

[Guðmundur Jónsson, 14.8.2018 kl. 14:34]

"""Það er fremur ólíklegt, að lagt verði í kostnað á hleðslustöðvunum við kaup og uppsetningu á öðrum ofurþéttum til að hlaða hina, enda kemur alltaf að því fyrr en síðar, að hlaða þarf "hleðsluþéttana", svo að ávinningurinn er nánast enginn.""

????  Hraðhleðslustöðvar eru alltaf með ofurþettum til að minka toppaflið sem þær taka.  https://www.greentechmedia.com/articles/read/ABB-Sells-First-Order-For-15-Second-Bus-Charging#gs.HkyBUNA

[Bjarni Jónsson, 14.8.2018 kl. 15:28]

Í hleðslustöðvum nútímans eru notaðir hefðbundnir þéttar til að draga úr straumtöku frá dreifikerfinu á fyrstu sekúndunum, eftir að hleðsla hefst.  Ofurþéttar eru enn ekki komnir á almennan markað.