Umeå universitet. Elbilen. bilen med miljön i tanken. Energilagringsteknik 7,5 hp. Handledare: Lars Bäckström och Åke Fransson

Transkript

1 Umeå universitet -bilen med miljön i tanken Energilagringsteknik bilen med miljön i tanken Anders Eriksson Johanna Persson aner0037@student.umu.se jope0024@student.umu.se Energilagringsteknik 7,5 hp Handledare: Lars Bäckström och Åke Fransson Idag är bilen ett nödvändigt redskap i vardagen och stora delar av samhällets uppbyggnad kretsar kring bilen. På grund av bränslefordonets dåliga miljöegenskaper och det ökade klimatintresset har deras fortsatta existens ifrågasatts. Syftet med projektet är att utreda om det är rimligt att ersätta bränslebilarna med elbilar och att undersöka hur stor belastning på elnätet det skulle innebära. Hur hushållens ekonomier skulle påverkas av bytet utreds också. För att kunna besvara frågeställningen görs en litteraturstudie. Med hjälp av uppskattade värden och befintlig statistik görs beräkningar på energianvändning, priser och utsläppsstorlekar. Det finns olika typer av elbilar, de flesta är hybridbilar och går att köra på ett annat bränsle, elmotorn använd i dessa bilar endast som ett komplement för att minska bränsleförbrukningen. Batteriet i framtidens elbilar kommer troligtvis att vara Litiumjonbatterier, som har relativt hög energilagringsförmåga per viktenhet. Att ladda dessa elbilar kommer att utgöra en ökad belastning på elnätet. Enligt beräkningar kommer trycket att öka med ca 9 %. är helt utsläppsfri och att ersätta bränslebilarna med elbilar skulle i Sverige ge en 20 % minskning av CO 2 -utsläppen om elen kommer från gröna energikällor. Utvecklingen av både batterier och bilar går allt snabbare framåt, elbilens stora genombrott kommer allt närmre.

2 Innehållsförteckning Inledning... 2 Syfte... 2 Metod... 2 Bakgrund/ Teori... 3 Batteriet... 3 Utveckling... 5 Laddstationer... 6 Umeå... 7 Utveckling... 7 Beräkningar... 8 Resultat... 9 Förslag på gröna energikällor för att täcka det ökade behovet Diskussion Vindkraften Batteriet Slutsats Referenser Bilaga 1. Instuderingsfrågor

3 Inledning Den första fungerande elbilen byggdes år 1891 i Iowa, upphovsmannen hette William Morrison. I början på 1900-talet var ca 30 % av Amerikas bilar eldrivna men i och med att bensinbilen var billigare i drift, lät mer, kunde köra både snabbare och längre konkurrerades elbilen ut. Under oljekrisen på 70-talet fick dock elbilen ett litet uppsving men den blev aldrig riktigt etablerade eftersom att oljepriset gick ned ganska fort [1]. Idag är bilen ett nödvändigt redskap i vardagen och stora delar av samhällets uppbyggnad kretsar kring bilen. På grund av bränslefordonets dåliga miljöegenskaper och det ökade klimatintresset har deras fortsatta existens ifrågasatts. är mycket miljövänlig eftersom den är helt utsläppsfri, den enda miljöpåverkan beror av hur elen produceras. De stora nackdelarna med dagens elbilar är att de är dyra, att de har dålig räckvidd och att de i vanliga eluttag har lång laddningstid. Syfte Syftet med projektet är att utreda om det är rimligt att ersätta bränslebilarna med elbilar och att undersöka hur stor belastning på elnätet det skulle innebära. Det skall också fastställas om den ökade belastningen på elnätet kan täckas av de energikällor som finns eller om nya renare borde användas. Rapporten skall även klargöra huruvida den minskade bränslekostnaden och den ökade elkostnaden kommer förbättra eller försämra hushållens ekonomi. Metod För att kunna besvara frågeställningen görs en litteraturstudie. Med hjälp av uppskattade värden och befintlig statistik görs beräkningar på energianvändning, priser och utsläppsstorlekar. Resultaten analyseras och diskuteras sedan och en sammanställning utförs. Som sista del i projektet tas ett antal instuderingsfrågor i ämnet fram. 2

4 Bakgrund/ Teori Det finns fyra olika typer av elbilar, Mikrohybrid/Mildhybrid, Fullhybrid, Laddhybrid och Elbil. Hybridbilar drivs av två bränslen, i de här fallen är det bensin och el. De förstnämnda bilarna genererar energi vid inbromsning som används till starthjälp, vilket även Fullhybrid gör med tillägget att den även laddas vid tomgångskörning. Laddhybriden har ett större batteri som kan laddas från elnätet, vilket gör att bilen kan drivas enbart av el under längre sträckor., som den huvudsakliga fokusen ligger på i den här rapporten, har ett stort batteri som laddas från elnät och drivs enbart av el. [3] En elbil har fem huvudkomponenter, Figur 1: 1. Laddare omvandlar växelström från vägguttag till likström med önskad spänning 2. Batteri lagrar elenergin i kemisk form 3. Batteriövervakningssystem ser till att batteriet inte underurladdas eller överladdas 4. Motorstyrning gör om likströmmen från batteriet till den form motorn är byggd för, det finns både likströmsmotorer och växelströmsmotorer 5. Motor driver bilen framåt genom att ett magnetfält roterar runt på insidan av motorns ytterhölje och får på så sätt rotorn inuti att rotera med. Rotorn är kopplad till bilens drivaxel och driver bilen framåt. I växelströmsmotorn skapas magnetfältet elektroniskt och i likströmsmotorn skapas det mekaniskt. Figur 1. s delar i en schematisk bild [4]. Batteriet Det finns många typer av batterier, alla har olika egenskaper. De vanligaste batterityperna för elfordon är blybatterier (Lead-acid), nickelmetallhydridbatterier (NiMH), nickelkadmiumbatterier (NiCd) och litiumjonbatterier. En sammanfattning och jämförelse av de olika batteritypernas egenskaper kan ses i Tabell 1. Blybatteriet har låg specifik energi vilket gör att batterierna blir tunga, fördelen är dock att de är relativt billiga [5]. Främst används blybatteriet till långsamma elfordon som truckar, rullstolar, mopeder, golfbilar och som startbatteri i alla vanliga bensin- och dieselbilar. NiCd-batteriet kan lagra ungefär 50% mer energi än blybatteriet. Kadmium är en tungmetall som är både hälsoskadligt och miljöfarligt, därför försöker man få bort den från 3

5 alla produkter där den tidigare använts. Vissa redan befintliga elbilar har NiCd-batterier men de sätts inte in i några nya bilar [4]. NiCd-battier tappar sitt energiinnehåll även då de inte används, vilket leder till att ett fulladdat batteri måste laddas efter en viss tid även om det inte har använts [6]. NiMH-batteriet kan lagra upp till dubbelt så mycket energi per kilogram som blybatteriet men är mycket dyrt så det används till största del i hybridbilar som endast behöver förhållandevis små batterier. Det batteri som är mest aktuellt för elbilen idag är Litiumjonbatteriet, vilket är samma som används till mobiltelefoner, bärbara datorer och mp3-spelare. Litiumjonbatteriet är lättare än de flesta andra batterier eftersom det kan lagra mycket mer energi per kilogram jämfört med dem. Litiumjonbatteriet har ingen minneseffekt, med minneseffekt menas att överladdning av batteriet gör att laddningskapaciteten minskar. Batteriet har en livslängd på hundratals cykler, en cykel är en urladdning och en uppladdning. En egenskap hos Litiumjonbatteriet som uppskattas, framförallt av mobiltillverkare, är att det går att konstruera i olika former och storlekar. Det finns självklart även negativa saker med Litiumjonbatteriet. De försämras direkt de lämnar fabriken, fungerar två till tre år oberoende av hur mycket de används. Elektrolyterna äter långsamt upp det positiva arket samtidigt som de förstörs, denna kemiska förändring ökar den inre resistansen. Efter ett tag blir resistansen så hög att batteriet inte längre kan avge någon energi till motorn trots att energi finns i batteriet [7]. Batterierna är känsliga mot höga temperaturer, livslängden förkortas snabbare än vanligt om de utsätts för höga temperaturer, rekommenderad temperatur ligger mellan -20 och 40 C. Vid total urladdning förstörs Litiumjonbatteriet, detta problem har man löst med att sätta in ett instrument som övervakar energikapaciteten i cellerna och larmar när det är dags för laddning. Överhettning av Litiumjonbatterier kan resultera i att batteriet exploderar, vilket har uppmärksammats i media de senaste åren. Explosion är dock mycket ovanligt, ca 2 på miljonen [4]. Tabell 1. Jämförelse av egenskaper hos olika typer av batterier. Chemistry Type Ni-Cd Ni-MH Lead acid Li-ion Cylindrical Li-ion Prismatic Li-Po Nominal Voltage [V] 1,2 1,2 2,1 3,6 3,6/3,7 3,6 Specifik Energy [Wh/kg] Specifik Energy [Wh/l] Cycle Life [times] Environmental hazard Low Medium Medium High High High Safety High thermally stable, fuse High thermally stable, fuse Medium thermally Low protection curcuit mandatory Low protection curcuit recommended Low protection curcuit recommended recommended recommended stable stable to 150 C stable to 250 C stable to 250 C Cost Low Medium Low High High High Self-Discharge Rate [%/month] ,0-9,0 6,0-9,6 - Källa: Batteryuniversity [8] Batteriet i en elbil motsvarar bränsletanken i en bränslebil. Man kan enkelt beskriva processen i batteriet som att det är två ämnen som reagerar med varandra och kemiskt bunden energi som omvandlas till elektrisk energi. Utsidan av Litiumjonbatteriet är gjord av metall, dels för att man ska kunna hålla batteriet trycksatt och dels som skydd mot yttre påfrestningar. Metallhöljet har en tryckkänslig 4

6 ventil som öppnas om batteriet blir så varmt att det finns risk för explosion på grund av tryckökningen. Ventilen är endast en säkerhetsanordning och gör batteriet obrukbart efter användning. Metallhöljet omsluter en lång spiral som i sin tur omsluter tre tunna sammanpressade ark. De tre arken är en positiv elektrod (katod), en negativ elektrod (anod) och en separator. Arken ligger i en organisk lösning som fungerar som elektrolyt. Separatorn är ett mycket tunt ark av microperforerad plast som separerar de positiva och negativa elektronerna men tillåter joner att passera. De positiva elektroderna är gjorda av LiCoO 2 och de negativa elektroderna är gjorda av kol. När batteriet laddas transporteras Litiumjoner genom elektrolyten från den positiva till den negativa elektroden och fastnar i kolet, vid urladdning sker en omvänd process [9]. Batteriets process finns illustrerad i Figur 2. Den kemiska processen i battericellerna beskrivs med ekvation (1) [10]. laddning LiCoO2 C6 Li1 xcoo2 + C6 + L (1) x Figur 2. Schematisk bild över uppladdningsprocessen i ett Litiumjonbatteri. I batteriet finns förutom battericeller: Temperatursensor övervakar batteritemperaturen. Spänningskonverterare och strömreglage reglerar spänning och ström så att de inte överstiger tillåtna värden. Motoranslutning skickar el från batteriet till bilen. Spänningstap övervakar energikapaciteten i enskilda celler i batteriet. Dator - övervakar laddningen av batteriet och stoppar laddning/urladdning vid fara för till exempel överhettning, det är delvis på grund av denna som batteriet tappar 5 % av sin kapacitet varje månad. Utveckling Anledningarna till att elbilen ännu inte haft något stort genomslag på bilmarknaden är att batterierna har för kort livslängd, väger mycket, är dyr, har lång laddningstid och framförallt att bilens räckvidd är kort. Forskning och utveckling av batterier har gått sakta relativt andra 5

7 utvecklingsområden, utvecklingen av portabel elutrustning har snarare handlat om energieffektivisering än om ökad energidensitet i batterierna. Toshiba har utvecklat ett batteri som kallas SCiB (Super Charge ion Battery), vilket skulle kunna lösa problemet med de långa laddningstiderna. Problemet med det batteriet är att dess energidensitet endast är ca en tredjedel av vanliga Litiumjonbatteriet, vilket medför att batteriet skulle bli mycket tyngre än de batterier som finns idag [11]. På Universitet i Stanford har det utvecklats en teknik för att göra Litiumjonbatterier som ska kunna lagra upp till 10 gånger mer energi än vad ett vanligt Litiumjonbatteriet kan göra. Mängden energi ett batteri kan innehålla beror på hur mycket litium som kan lagras på anodsidan, som i normalfall är gjord av kol. I detta batteri har man bytt ut kolet mot silikon som har mycket högre energilagringskapacitet än kol. En nackdel med silikon är att det sväller i batteriet när det absorberar positivt laddade litiumatomer under laddning och krymper under urladdning. Denna sväll-/krympcykel gör att silikonet pulveriseras, vilket i sin tur leder till att batteriet försämras. Sväll- och krympproblemen är anledningen till att man tidigare inte kunnat använda silikon. Tekniken i Stanfords batteri bygger på litiumet lagras i en mängd nanosträngar av silikon. Dessa utvidgar sig till fyra gånger deras normala storlek, men till skillnad från när silikonet har en annan form så sker ingen pulverisering. Dessa batterier skulle kunna vara väldigt attraktiva för elbilsproduktionen eftersom att det skulle gå att minska vikten på bilarna och förbättra räckvidden [12]. Tester har visat att dessa batterier presterar bra i över 50 laddningscykler. I kommersiella elbilar bör batteriet klara åtminstone 300 laddningscykler, vilket det återstår att se om det här batteriet kommer att klara [13]. Det har även tagits fram en ny typ av elektrod till Litiumjonbatteriet på MIT, Massachusetts Institute of Technology, som skulle möjliggöra en både snabbare uppladdning och urladdning än vad som är möjligt idag. Det skulle innebära att elbilarna skulle kunna få ännu bättre acceleration än vad de har idag, men även att de skulle kunna ta vara på mer energi vid inbromsning. Om den här tekniken blev verklighet i elbilar skulle det, i en tankstation som kan leverera 180kW, ta ungefär fem minuter att ladda en elbil. [14] Laddstationer För att minska laddningstiden för elbilar kan uttag som kan leverera högre effekt än ett vanligt uttag användas, det kallas snabbladdning. Den tekniken är, som det ser ut just nu, mest lämpad för speciella laddstationer där det är viktigt att laddningstiden är så kort som möjligt. I Sverige finns ännu inga specifika regler eller föreskrifter som direkt bestämmer hur laddstatiner till elbilar ska se ut men ett närliggande område där det finns bestämmelser är installationer för och i husvagnar och husbilar, 708 i Starkströmsföreskrifterna. Där fastslås följande [15]: Uttaget skall vara för industribruk (CEE-don) vara placerat minst 0,8 m över mark ha minst 16 A märkström ha eget överströmsskydd vara skyddat av 30 ma jordfelsbrytare (max 4 uttag/brytare) Anslutningsanordningen skall ha stickpropp för industribruk (CEE-don) ha ledarea på minst 2,5 mm 2 6

8 Umeå Umeå Energi har sedan ett år tillbaka drivit ett projekt med syftet att utveckla en unik laddstolpe och att investera i egna laddhybridbilar.[29] Sedan ett år tillbaka har Umeå Energi drivit ett projekt vars syfte är att utveckla en unik laddstolpe och en investera i egna laddhybridbilar. Tanken är att stolparna ska placeras ut på 10 till 20 ställen i umeå, stolparnas pplacering är i dagsläge t inte bestämt, för att ta fram en unik laddstopkle har umeå enrgi tagit hjälp av designstudenterna och man räknar att den är färdig under första delen av Utveckling Elbilarna kan självklart laddas hemma i det egna eluttaget men på grund av den korta räckvidden krävs fler laddstationer ute på vägarna eller i anslutning till företagsparkeringar och liknande. Fortum är ett svenskt energiföretag som tillsammans med det finska Enso har utvecklat en ny typ av laddstolpe som ska vara lika enkla att använda som en vanlig motorvärmarstolpe men säkrare. Fortum har utöver detta samarbete en rad andra elbilsprojekt tillsammans med olika företag, bland annat Mitsubishi, Preem och Stockholmsstad. Figur 3 visar en av Fortums laddstolpar [16]. Figur 3. Fortums laddstolpe [17]. Ett annat företag som intresserat sig för både elbilar och laddstationer är Toyota. Toyota Industries har utvecklat solcellsdrivna laddstationer för elbilar och plug-in-hybrider, se Figur stationer ska byggas i Toyota City i Japan, projekt startar i april i år. Solcellerna på taket av stationen ska ha en effekt på 1,9 kw, elen lagras i stora batterier som har en lagringskapacitet på 8,4 kwh. Laddstationerna kommer även att vara uppkopplade mot elnätet. 7

9 Figur 4. Toyota Industries nya solcellsdrivna laddstationer för elbilar och plugg-in-hybrider [18]. Beräkningar Totala energibehovet för el-bilarna: Energibehov = x y z (1) Där x = antalet bilar i Sverige, y = medelkörsträckan/ bil och z = energibehov/ mil för en elbil. För att beräkna mängden vindkraftverk som behovs för att tillfredsställa det utökade behovet av energi: TotalÖkningEnergibehov AntalVindk raftverk = (2) GenomsnittligEnergiproduktionEttVindkraftverk Effekten som kan fås ur laddningsuttaget (enfas) beräknas: P = IU cosϕ (3) Där P = effekt [W], I = ström [A] och U = spänning [V]. Där cos ϕ beror av vilken typ av belastning ansluter till nätet. Vid laddning av en elbil kommer det att vara ett batteri som ansluts vilket har fasförsjutningsvinkeln ϕ = 0 vilket i sin tur ger cos ϕ = 1och effektformeln: P = IU (4) Effekten ifrån en trefasanslutning beräknas: P = 3IU (5) 8

10 Resultat I Sverige finns idag 129 stycken elbilar, det motsvarar ca 0,03 av den totala bilparken. Den genomsnittlige svensken kör ca mil/år och gör av med liter bensin, kostnaden per bensinbil blir ca sek för resandet på ett år (med ett bensinpris på 13 kr/l och genomsnittlig bensinförbrukning). De flesta beräkningar är baserade på värden i Tabell 2. Tabell 2. Sammanställning av data om bilar och bilkörning i Sverige. Drivmedel Antal [mil/ (år&bil)] Bränsleförbr. [l/mil] CO2 utsläpp [kg/(år&bil)] Kostnad Pris [kr/l] [kr/år/bil] Bensin , , Diesel , , Etanol , , Etanolhybrid ,84 och 1, och Elhybrider , , Övriga hybrider försummas Naturgas/Biogas ,68 [Nm3/mil] ,94 [kr/nm3] 9037 Övriga försummas Elbilar nu ,52 [kwh/mil] 0 2,70 [kr/mil] 3610 Totalt Källa: [2][25][26][27] Utifrån värden i tabellen ovan kan beräknas att den totala energiförbrukningen om alla bilar ersattes med elbilar skulle bli strax över 14 TWh. Eftersom det idag finns så pass få elbilar kan man se hela summan som en ökning av det totala energibehovet i Sverige. Den totala energianvändningen 2008 uppgick till strax under 160 TWh vilket gör att 14 TWh motsvarar en ökning på ca 9 % Energiförbrukning per bil [kwh/år] Bensin Diesel Etanol El Figur 5. Jämförelse av energiförbrukningen per bil och år med olika bränslen. 9

11 Från Figur 5 kan man utläsa att bilar som drivs med el skulle förbruka mycket mindre energi på ett år än vad bilarna med förbränningsmotor skulle göra om de körde samma sträcka. Det beror på att elmotorn har så mycket högre verkningsgrad än förbränningsmotorerna. 3,5 3 CO2-utsläpp per bil [ton/år] 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Bensin Diesel Etanol Etanolhybrid Elhybrider Naturgas/Biogas El Figur 6. Jämförelse av CO 2 -utsläpp per bil och år för respektive bränsle. I Figur 6 kan man se att etanolmotorer avger mycket mindre CO 2 än vad de andra förbränningsmotorerna gör. De bästa bilarna ur miljösynpunkt är elbilarna som inte avger någon CO 2 vid användning. Under 2007 var det totala utsläppet av CO 2 från alla sektorer 61 miljoner ton. Med dessa uppgifter kan beräknas att ett byte till elbilar skulle ge en minskning med 20 % av det totala CO 2 -utsläppen Kostnad per år och bil [kr/år] Bensin Diesel Etanol Etanolhybrid Elhybrider Naturgas/Biogas El Figur 7. Jämförelse av bränslekostnaderna per år för respektive fordonstyp. 10

12 Ur ett ekonomiskt perspektiv kan man se i Figur 7 att elbilen har en stor fördel relativt de andra biltyperna. Att byta bil från bensin till el skulle minska bränslekostnaderna med ca kr per år för en genomsnittlig bilförare. Att ladda batteriet hemma i eluttaget sägs ta mellan 5 och 10 timmar. Spänningen i kontaktuttaget i vanliga hus ligger runt 230 V och säkringarna tillåter strömmar upp till 10 A detta skulle ge en uteffekt på ca 2,3 kw. I bilmodellen imiev från Mitsubishi sitter ett batteri med kapaciteten 16 kwh [31], imiev skulle alltså ta 7 h. Maxeffekt (trefas) för ett hushåll med 16 A huvudsäkring är 11 kw ger för samma batteri som ovan en laddningstid på 1,5 h. Dock är inte nätet av praktiska skäl inte dimensionerat för att ett område ska kunna nyttja maximal effekt samtidigt [31]. För att få en snabbare laddning skulle trefasanslutning kunna användas i speciella laddstationer eller så skulle man kunna ha ett batteri som är uppdelat i olika sektioner som man kan ladda var och en för sig [30]. Förslag på gröna energikällor för att täcka det ökade behovet. Vindkraft Energiuttaget från vindkraft 2008 var 2 TWh, antalet vindkraftverk var Vattenfalls vindkraftprojekt i Småland omfattar 20 stycken verk vilka ska kunna producera 100 GWh [19], deras vindkraftprojekt i Västerbotten omfattar 80 stycken verk vilka ska kunna producera 575 GWh [20]. 14,4 TWh motsvarar den beräknade ökningen av energibehovet om man ersätter alla bilar med elbilar i Sverige. För att ta fram en genomsnittlig energiproduktion hos vindkraftverken har vi tagit hänsyn till att det inte kommer att tillföras några gamla verk utan bara nya verk som är mer effektiva, se Tabell 3. Tabell 3. Faktatabell om energikapacitet hos vindkraftverk Vindkraftverk Antal [st] Sammanlagd energi [GWh] Energiuttag per verk [GWh] 2008 Totalt ,8 Planerade i Skåne Planerade i Västerbotten ,2 Medeleffekt på ett vindkraftverk ~6 Källa: Vattenfall Detta betyder att det skulle behövas, från 2008, ytterligare 2400 stycken nya vindkraftverk för att täcka det ökade energibehovet från en elbilspark. Det innebär en ökning med 210 % från 2008, det låter mycket men enligt Vattenfall finns planerad vindkraft som täcker hela behovet [24]. Vattenkraft 2008 genererade svensk vattenkraft totalt GWh. Om man skulle vilja täcka energibehovet till elbilarna med vattenkraft skulle det kräva en ytterligare effektivisering med 21 % [21]. 11

13 Diskussion Sveriges bilpark är den tyngsta i Europa, vi har störst motorer och släpper ut mest CO 2 per bil. I genomsnitt släpper en svensk bil ut 20 % mer CO 2 än bilarna i övriga Europa. Riksdagen beslutade 2003 att utsläppen från bilarna 2010 inte får överstiga utsläppet 1990 som var 17,38 miljoner ton. Idag ligger utsläppen ca 10 % över nivån 1990 så målet uppnåddes inte. Utsläppen per bil har dock minskat, hade bilparken idag varit lika stor som 1990 så hade målet uppnåtts och utsläppen hade till och med minskat med 14 %. Anledningen till ökningen ligger alltså endast i att vi idag har fler bilar än för 20 år sedan. [22][23] Fördelarna med elbilar är många, man byter till exempel lokala utsläpp från miljontals avgasrör till utsläpp från större anläggningar som kan vara lättare att reglera och rena. Man förflyttar dessutom utsläppen längre ifrån civilisationen vilket skapar tystare och renare stadsmiljöer. Tack vare den höga verkningsgraden använder en elbil ca 65 % mindre energi än vad en bensinbil gör. Att förse en bilpark endast bestående av elbilar, motsvarande dagens mängd bilar, med energi skulle öka det totala elbehovet i Sverige med ungefär 14,4 TWh. Det är en ökning på strax under 9 % av den totala elförbrukningen i Sverige. Enligt energibolagen skulle en sådan ökning inte vara något problem för det svenska elnätet [24]. Bland skeptiker tar man ofta upp problemet att elnätet skulle bli överbelastat om för många bilar laddas samtidigt. Det är idag långt kvar till att bilparken skulle bestå endast av elbilar, risken att alla bilar, med en bilpark av endast elbilar, skulle ställas på laddning samtidigt är nog väldigt liten. Men om det faktiskt skulle hända, så får vi anta att de laddar med enfas ström på 10 A och med spänningen på 230 V som är tillgängligt i alla hem, då skulle den maximala belastningen på nätet stiga med ca 9 % vilket nätet klarar utan problem. Det som skulle kunna orsaka problem är om alla skulle snabbladda samtidigt eftersom det då blir så stora effektuttag från nätet. För att kunna snabbladda i hemmet så skulle man behöva byta ut elledningarna till tjockare ledningar och använda mer avancerad laddningsutrustning. Eftersom det skulle bli både dyrt och omständligt att göra en sådan ombyggnation känns det inte som en rimlig lösning. Man kan också anta att laddning av bilen i hemmet kommer att ske under natten då det inte är nödvändigt att laddningen av bilen går snabbt. Dagens elbilar har vanligtvis en räckvidd på mil, vilket kan anses som mycket kort. En svensk medelbilist kör dock endast 4 mil per dag, varav de flesta sträckorna är betydligt kortare än så. Vattenfall har börjat undersöka teknik som ska möjliggöra att elnätet samverkar med uppladdningen av elbilarna, det skulle innebära att det visas information i bilarna när det är liten belastning på nätet. Detta kommer att medföra att effektdimparna på elnätet, till exempel på nätterna, kommer att minska vilket skulle vara positivt för elproducenterna. Ett mer konstant effektbehov gör att kraftverken skulle kunna producera under mer ideala förhållanden. Tekniken skulle också gynna bilisterna eftersom elpriset är lägre när belastningen på elnätet är lägre. En annan lösning på problemet skulle kunna vara att ladda långsamt hemma under natten, vilket inte kräver så mycket effekt så det skulle vara möjligt för fler att ladda samtidigt. Snabbladdning skulle vara för påfrestande för de befintliga elledningarna i hushållen, så om det endast utfördes på speciella stationer skulle bilbytet kosta mindre. Snabbladdning kunde ske på speciella laddstationer, laddstationerna i sig skulle inte behöva lasta elnätet särskilt mycket. Som tidigare nämnda exempel på solfångarladdstationer med stora batterier som man tar energin till laddningen ifrån och som bara har en reservanslutning till elnätet, ett annat exempel skulle kunna vara vindkraftskopplade 12

14 laddstationer. Vindkraftskopplade laddstationer skulle kunna vara ett alternativ efter vägar eller orter i närheten av vindkraftverk. Laddstationer som endast tar sin energi från elnätet skulle kunna ha stora batterier där de kunde lagra en buffert för att minska effektpeaken som blir på nätet vid en billaddning. Vindkraften År 2008 producerade vindkraften i Sverige ca 2 TWh fördelat på 1138 verk. Eftersom att elproduktionen på ett vindkraftverk beror på storleken på det, vart det står och väderförhållanden är det svårt att förutse hur mycket ett nytt vindkraftverk kommer att producera. För att få fram en siffra på det hur mycket ett nytt vindkraftverk producerar i snitt under ett år jämfördes elproduktionen från vindkraftverken mellan 2007 och 2008 sedan dividerades skillnaden med antalet nya vindkraftverk som byggdes under För att tillfredsställa det utökade energibehovet som elbilar skulle medföra skulle det behöva byggas lite mindre än 2400 nya vindkraftverk i Sverige. Batteriet Det största hindret för elbilen idag är batteriet, det är alldeles för dyrt för att det skulle vara rimligt att för ett vanligt hushåll införskaffa en bil. Det dyra batteriet har dessutom en mycket kort livslängd på endast två till tre år. Långtidsladdning borde kunna ske i hemmet till exempel under natten med ett reglage som ser till att bilen endast laddas när nätet är lågbelastat. Slutsats Att byta alla bilar med förbränningsmotor till elbilar skulle öka påfrestningen på elnätet, det blir dock en förhållandevis liten ökning av elbehovet som inte kommer att vara något problem för elproducenterna att klara av. Bytet kommer inte heller att ske över en natt, vilket gör att det kommer finnas tid att förbättra och kanske byta delar av elnätet där det kan behövas. Det ökade elbehovet kommer att kunna täckas med till exempel de nya vindkraftverk som är planerade under det kommande decenniet. Utöver de positiva effekterna elbilar skulle ha för miljön så kommer de troligtvis också ha en positiv effekt för bilägares ekonomi, i alla fall om priserna på bilarna går ned med tiden och elpriset inte blir så mycket högre. Att satsa resurser på forskning inom ämnet verkar vara en bra investering för alla. Energibolagen får sälja mer el, hushållen får billigare resor, renare och tystare stadsmiljöer, bilföretagen får sälja nya bilar och tekniken kan dessutom användas inom fler områden. 13

15 Referenser [1] Folke Schimanski, Den tidiga elbilen, 2007, PopulärHistoria, 11 [2] Statistiska centralbyrån, 2008, , [3] Automotivesweden, Hans Nyman, Batteriet Nyckeln till morgondagens energisnåla transporter, , , ergisnalatransporter [4] Ev World Sverige, 2009, , Hur fungerar en elbil?, FUNGERAR EN ELBIL [5] Bo Andersson och Arne Johansson, Elbilsbatterier, 2000, 2000:17, Kommunikationsforskningsberedningen [6] BatteryUniversity.com, Isidor Buchmann, , , The nickel-based battery, its dominance and the future, [7] Isidor Buchmann, Batteries in a portable world, 2001, , EC & M books, ISBN [8] BatteryUniversity.com, Isidor Buchmann, , , What s the best battery, [9] HowStuffWorks, 2005, , How Lithium-ion batteries Work, [10] Electronics Lab, 2005, , How to rebuild a Li-ion battery pack, [11] Toshiba Corporation, 2009, , [12] Dan Stober, Nanowire battery can hold 10 times the charge of existing lithium-ion battery, , Stanford University [13] Prachi Patel, Nanowire advance for lithium batteries, , Massachusetts Institute of Technology [14] Jan Tångring, Litiumbatterier snabba som kondensatorer, , Elektroniktidningen, 3 [15] El för fordon, Laddinfrastruktur idag, 1999, 99:32, Elforsk rapport [16] Fortum, , , [17] Fortum, , , [18] Lars Anders Karlberg, Toyota bygger 21 soldrivna laddstationer, , NyTeknik, 52 [19] Vattenfall, , , omxvi/521184pxgxe/ gunna/index.jsp [20] Vattenfall, , , omxvi/597945news/index.jsp?pmid= [21] Statistiska centralbyrån, 2008, , aspx [22] Christer Åkermanhttp, Svenskarnas bilar äventyrar klimatmålet, , NyTeknik, [23] Jonnie Wistrand, Mer bilar Mindre utsläpp Missat CO2-mål, , Teknik360 14

16 [24] Vattenfall, , Elbilar: Att använda elektricitet för transporter lxix/index.jsp.se [25] Föreningen Etanol.nu, , [26] [27] Gasföreningen, , [28] Erik Berglund, Laddhybridbil i taxiverksamhet, , Tillämpad fysik och elektronik, Umeå universtitet [29] Dan Weinehall, Tillämpad fysik och elektronik, Umeå universitet, våning 4 teknikhuset [30] Green Highway, , Elbil- och laddhybridguide, SÖT-samarbetet [31] Matz Tapper, Teknikansvarig Svensk Energi Sweden Energy AB, matz.tapper@svenskenergi.se 15

17 Bilaga 1. Instuderingsfrågor Fråga 1: Hur ser den kemiska reaktionen ut för laddning av ett Litiumjonbatteri? laddning Svar: LiCoO2 + C6 Li1 xcoo2 + C6Lx Fråga 2: Hur lång tid skulle det ta att fulladda en elbil som har en batterikapacitet på 16 kwh i ett vanligt vägguttag i Sverige? Svar: (10A 230 V) 10*230=2300W, 16/2,3=7 h Fråga 3: Ange minst en fördel och en nackdel för bly- resp. litiumjonbatterier i elbilar. Svar: Fördel bly: billiga. Nackdel: Låg specifik energitungt. Fördel Litium: Hög specifik energilätt, ingen minneseffekt Nackdel: Dyra, de förstörs direkt de lämnar fabriken även om de inte används, inte så bra för miljön. Fråga 4: Litiumjonbatterier har ingen minneseffekt, vad menas med det? (10 p) Svar: Att den inte har någon minneseffekt menas att om man överladdar batteriet försämras inte laddningskapaciteten. Fråga 5: Hur mycket skulle elförbrukningen öka om alla Sveriges bilar, 4,3 miljoner stycken, skulle bytas till elbilar om medelbilen kör 1337 mil/år och medelförbrukningen är 2,52 kwh /mil? Svar: ca 14,4 TWh, vilket motsvarar mindre än 9 % av dagens elproduktion. 16