4. Elbiler

Elektrificering muliggør elektrisk drift frem for f.eks. drift baseret på dieselolie. Elektrificering medfører store investeringer, men giver lavere driftsomkostninger, da fremdrift, vedligeholdelse og værkstedsaktiviteter er billigere. Herudover bliver støjniveauet mindre ved lave hastigheder. Endelig kan togene opnå en højere gennemsnitshastighed, da både acceleration og tophastighed er højere for elektriske tog end for dieseldrevne tog.

 

Elbiler

Ved elbilen forstås en bil, som drives af en elmotor, der får strøm fra et batteri i bilen. En fordel ved elbilen, er at elektricitet kan produceres fra mange forskellige energikilder, herunder vedvarende energikilder. Samtidig har elbilens motor en virkningsgrad på 75 % i forhold til benzinmotorens 20-30 % (FuelEconomy).

Et problem ved elbilen i forhold til benzinbilen er opbevaringen af energi (i batteriet). Batteriet er meget dyrt, samtidig med at det ikke kan opbevare lige så meget energi som en benzinbil kan i benzintanken. Hertil kommer at det tager væsentligt længere tid at oplade en elbil, end det gør at tanke en benzinbil.

 

Batterier

Elbilen er afhængig af et batteri til oplagring af strøm til fremdrift samt til andet udstyr som varmesystem, displays og underholdning. Der er mange krav til batterier, som skal bruges ved elbilen: Energitæthed, brugstemperatur, driftsstabilitet, ladetid og sikkerhed.

Der findes flere forskellige typer af batterier. Den ældste type er blysyrebatteriet som er den type batterier vi finder i alm benzinbiler til at drive startermotoren og radioen osv. Ulempen ved denne type batteri er en lav energitæthed og en forholdsvis kort levetid på kun 300-500 afladninger. Dette er ikke noget problem i en alm bil, da der normalt altid bliver ladet på batteriet, og det derfor sjældent bliver afladt. Nikkel-metalhydrid har en større energitæthed end blysyrebatterier, men har en stor selvafladning på op til 15-30 % per måned (Tønnesen et al. 2010, 32). Det vil sige at hvis bilen står stille for længe, er der pludselig ikke noget strøm på batteriet.

En tredje type af batterier kaldet lithium-ionbatteriet er derimod meget anvendelig til f.eks. elbiler. Dette er ikke så sart overfor at blive ”klat-ladet”, dvs. at det behøver ikke aflades helt for man lader det op igen. Dog begrænses levetiden af batteriet, hvis det når under 25 % af kapacitet

 

Sammenligning mellem forskellige batteriteknologier og hvordan de kan optimeres til respektivt energitæthed og krafttæthed. Bemærk at y-aksen er logaritmisk. Det ses at Li-ion teknologien til dato er det batteri med størst energitæthed uanset størrelsen af den maksimale energiudladning.

 

Opladning

Elbilens ladetid afhænger af hvor meget energi der kan overføres fra elnettet til bilens batteri. Dette begrænses af spændingen og af den maksimale strømstyrke. En alm stikkontakt har en spænding på 230 volt, hvor et komfur bruger 400 volt. Der er også forskel på strømstyrken i forskellige installationer, nogen er maksimalt på 10 ampere, hvor andre er 16 ampere.

Elbiler er et meget populært emne i øjeblikket, og anses for en vigtig teknologi for at opnå klimamålene opsat af den danske regering og EU.  Da en elbil fremdrives af elektrisk energi fra bilens batteri, udleder bilen i sig selv hverken CO2 eller andre skadelige stoffer. Dette er især en fordel når elbilen benyttes i byerne, hvor fodgængere, cyklister og beboere sædvanligvis er meget tæt på den forurenende trafik. Selvom elbilen i sig selv ikke udeleder nogen form for udstødningsgasser, skal man se på hvor energien kommer fra, for at vurdere hvorvidt elbiler er en bæredygtigt teknologi. Danmark er et af de lande med mest vindkraft, og ca. 20% af elektriciteten bliver produceret af vindmøller. Resten af elektricitet bliver hovedsageligt produceret på kul, som er et fossilt brændstof ligesom olie. Dette betyder at elbiler også (indirekte) bridrager til udledning af CO2.

Det er dog en fordel at energien bliver produceret på kraftværkerne hvor virkningsgraden er høj, og hvor man er rigtigt dygtig til at rense røgen for skadelige stoffer.

Som tidligere nævnt, er andelen af vindenergi i den danske elproduktion en væsentlig faktor for elbilen som et miljøvenlig alternativ til benzinbilen. Læs mere om vindenergi  i Grøn Visions energi materiale her: http://gronvision.dk/laer-om-verden/vindenergi

 

Se øjeblikkelige el-produktion her: http://energinet.dk/Flash/Forside/index.html

 

 

Mængden af CO2 der udledes ved el-produktionen varierer alt efter hvor elektriciteten bliver produceret. Det er klart at hvis en stor del af elektriciteten produceres af vindmøller vil CO2 udledningen per kilowatt-time falde. Men det har også en betydning hvilke kraftværker strømmen produceres på. I takt med at kraftværkerne bliver mere effektive og at der installeres flere vindmøller, er CO2 udledningen for el-produktion generelt faldende.

Fakta:

Den danske regering og EU har en målsætning om en reduktion i CO2 udledning med 20% i forhold til udledningen i 1990. Yderligere har Danmark det mål at være CO2 neutralt i 2050.

http://www.ens.dk/da-dk/info/nyheder/nyhedsarkiv/2011/sider/20110418ensoffentliggoerbasisfremskrivning.aspx og klima komissionens rapport 2010

 

 

Opladning af bilflåde med elnettet

Hvis man forestiller sig at elbilen bliver en stor succes, vil det betyde en stor efterspørgsel på strøm, når folk kommer hjem fra arbejde. Ved almindelig ladning (220V, 16A) vil hver tilsluttet elbil belaste elnettet med 3,7 kW. Hvis 540.000 biler tilsluttes når folk kommer hjem fra arbejde, vil det resultere i en belastning på 2 GW (). Dette er en meget stor forøgelse af elforbruget, hvilket er illustreret på figuren nedenfor.

Strømforbrug for DK med 540.000 elbiler set over to døgn uden regulering af opladning

Elbilens belastning vil være stor mellem kl. 16-04, som illustreret i Figur 1, og situationen vil højst sandsynligt kræve store investeringer i elnettet for at kunne levere en tilstrækkelig mængde energi under peakperioden. En metode til at undgå dette scenarie er intelligent opladning.

 

Intelligent opladning

Ved brug af intelligent opladning (også kaldet grid to vehicle), kan man styre opladningen af ebilerne sådan så strømbehovet bliver udjævnet gennem døgnet. Man lader f.eks. mest på bilerne om natten, hvor man normalt ikke bruger så meget strøm. Dette gør elforbruget mere konstant i løbet af et døgn.

 

Strømforbrug for DK med 540.000 elbiler set over to døgn med perfekt regulering af opladning

 

På Figuren ovenfor er de samme 2 GW illustreret med perfekt kontrol med intelligent opladning. Ved perfekt kontrol vil der i princippet ikke forekomme spidsbelastninger på elnettet. Det ses endvidere, at der ikke behøves at udbygges i infrastrukturen idet den allerede er dimensioneret til de normale spidsbelastninger.

 

Et vigtigt argument for at elbiler er gode for miljøet, er at man har mulighed for at oplade og lagre strøm i bilerne, når de ikke bruges. Typisk kan der om natten være overproduktion af strøm produceret på vindmøller. Da det er vigtigt at der er balance mellem den mængde strøm der produceres og den mængde der bruges, sker det ofte at overskudsstrøm sælges næsten gratis til vores nabolande. Hvis der er ubalance mellem forbrug og produktion kan hele el-nettet bryde sammen. Derfor bliver man nødt til næsten at forære strømmen væk. Hvis der var en større andel af elbiler i Danmark, kunne man i stedet oplade bilerne med den overskydende strøm når de står til opladning, f.eks. hvis det pludseligt blæser mere end forventet. Omvendt hvis man pludselig mangler strøm har man mulighed for at ”låne” lidt strøm fra elbilejerne og derved opretholde balance mellem forbrug og produktion. Når balancen igen er oprettet, kan man levere den strøm tilbage til elbilens batteri der blev ”lånt”. Derfor kan elbiler muliggøre at der kan implementeres flere vindmøller i den danske el-produktion.

 

 

På figuren ovenfor ses det samlede elforbrug for Danmark over en fire ugers periode. Det ses at der er store udsving og et tydeligt mønster gentager sig hver uge. Hver top på grafen viser dagtimerne, og hver dal er nat. Ydermere ses det at der i hverdagene er et væsentligt større forbrug end i weekenderne, hvilket primært skyldes industriens elforbrug når der produceres i hverdagene. Over denne periode er produktionen fra vindmøller indtegnet, og det ses at i perioder kan vindmøllerne faktisk  dække hele forbruget. I flere tilfælde (om natten) er produktionen faktisk større end forbruget. I disse tilfælde ville det være meget nyttigt at kunne lade (ekstra) på elbilerne når de holder hjemme i garagen. Hvis der så efterfølgende er et pludseligt fald i produktionen fra vindmøller hvis vinden lægger sig, kan man i en kort periode lade strømmen gå fra bilerne og tilbage ud på nettet (vehicle to grid), indtil man får øget produktionen fra kraftværkerne. Dette vil kunne gøres i løbet af 15min til omkring et  par timer alt efter hvor stort behovet er.

 

 

 

Eksempel:  Omregn energimængden 1kWh til kJ.

1 kWh (kilowatt-time) er den energi der bruges ved en effekt på 1kW i en time.

 

Da enheden watt er defineret som W = Joule /sek , omregnes en time til sekunder:  Derved fås at  1 t = 60 min = 3600 sek. Derved fpes at 1kWh = 1 KJ/s * 3600s = 3600kJ

 

Øvelse: Effektberegning

En elbil kører med konstant hastighed med 80km/t og motoren leverer en konstant effekt på 10kW. Bilens batteri har en kapacitet på 20kWh. Hvor lang tid går der før bilen er løbet tør for strøm?

Hvor mange km har bilen tilbagelagt?

Hvis energiindholdet i benzin er 42000kJ/l, hvor mange liter benzin skal der til for at have sammen mængde energi som i batteriet?

Det antages at en benzinbil har en effektivitet på 20% (dvs 20% af energien i benzinen bliver brugt til fremdrift, resten er tab) hvor mange liter skulle der bruges til at køre den samme strækning som elbilen kørte?

I 2010 var den gennemsnitlige CO2-udledning ved el-produktion 426g/kWh. Beregn hvor meget CO2 elbilen havde udledt da batteriet var tomt.

Benzinbilen har en CO2 emission på 128g/km. Hvor meget CO2 har benzinbilen udledt?

 

 

Den størst udfordring for elbiler lige nu er at få en infrastruktur bygget om omkring brugen af elbilerne. Selvom om almindelige biler har en lang rækkevidde, er man afhængig af der er tankstationer placeret med en fornuftigt afstand både i by og på motorvejen, så man kan tanke bilen op når den er ved at være tom. Denne infrastruktur af tankstationer er langsomt blevet opbygget i takt med at der er kommet flere og flere biler på markedet. Før at elbilen vil kunne benyttes fuldt ud, ikke kun som en bybil, skal der være mulighed for at lade bilen op eller skifte batteriet på vej fra A til B. Dette er lidt en ”hønen og ægget”-problemstilling, hvad skal komme først, infrastrukturen eller elbilerne? Mange vil nok være tøvende over for at købe en elbil før de kan besøge familien på den anden side af Storebælt. Omvendt er de store aktører på elbilmarkedet lidt tøvende over for at lave store investeringer før der er rent faktisk er et marked for det.

De to konkurrenter ChooseEV og BetterPlace har hver deres løsning til problemet med rækkeviden på elbilerne. BetterPlace vil opsætte batteriskiftestationer langs bl.a. motorvejene, hvor man på få minutter kan skifte batteriet til et fuldt opladet batteri. ChooseEV satser derimod på hurtigladning, det vil sige stationer hvor der kan lades med meget større effekt end man kan i stikkontakten derhjemme. Ifølge ChooseEV kan man oplade elbilen på 20min med deres ’Fast Charger’.

Betterplace’s batteriskifte station: http://danmark.betterplace.com/loesningen/batteriskiftestationer/

Foreløbigt er elbiler frataget afgift frem til 2015 da elbiler, som alt anden ny teknologi har høje udviklings- og produktionsomkostninger. I takt med at teknologien bliver mere udbredt vil elbilerne blive billigere, og derfor er regerings plan langsomt at udfase afgiftsfritagelsen efter 2015. Årsagen til at elbilerne kan købes uden registreringsafgift er for at imødekomme problemstillingen nævnt tidligere vedrørende den manglende infrastruktur. Det skulle gerne resultere i at der kommer flere biler ud på vejene, hvorfor det bliver mere interessant at investere i den nødvendige infrastruktur.

 

 

Øvelse: – Opgave (film 1)

Se videoerne og svar på følgende spørgsmål:

  • Hvor langt kan man køre på en opladning?
  • Hvad forstår man ved CO2 fri kørsel?
  • Hvor kommer elektriciteten fra?
  • Hvilke ting er i vejen for at alle kører elbiler?
  • Kan du komme med forslag til, hvordan man kan komme ud over disse problemer?

 

Øvelse: – Opgave (film 2)

Se videoerne og svar på følgende spørgsmål:

    • Hvordan kan man bygge en almindelig bil om til en elbil?
    • Hvad er intelligent opladning af batteri på elbilen?
    • Hvornår der er overskud af el fra vindmøller
    • Hvad bruger nordmændene den billige danske vindmøllestrøm til?
    • Hvad kan vi gøre for selv at score gevinsten?

 

Øvelse: – Opladning af elbil

  • Benyt effektformlen P = U*I,  til at bestemme den effekt der lades med, når der lades med en spænding på 220V og en strømstyrke på 16A
  • Hvor lang tid tager det at oplade en elbil med et batteri på 22kWh hvis der lades med 220V og 16A?

 

[ssquiz id=”14″]

Link til kapitel 5: Energibehov ved forskellige typer transport

More...