Arkiv for Elektrisitet

Problemet med litium

At Tesla Motors nå går med overskudd er interessante nyheter, selv om grunntallene er temmelig neglisjerbare i bilbransjesammenheng (1 million dollar i profitt på 20 millioner dollar i omsetning i juli måned). Elbilen Tesla er fremdeles et luksusprodukt, men mange knytter store forhåpninger til sedanmodellen Tesla S, som etter planen skal settes i produksjon i midten av 2011.

800px-teslamodelssedan

Prototyp av Tesla Model S. Kilde: Wikimedia

Men for meg blir Tesla først og fremst et eksempel på problemet med skalerbarhet. Dersom denne teknisk elegante og (forholdsvis) rene teknologien skal kunne påvirke utviklingen vesentlig, må den kunne erstatte en stor andel av de mer enn 700 millioner fossildrevne bilene som er på veiene idag, og i tillegg dekke den forventede etterspørselen etter biler i årene som kommer – kanskje en fordobling før 2030.

Å produsere elektrisitet er i denne sammenhengen det minste problemet, tett fulgt av behovet for å bygge ut el-infrastrukturen for å håndtere et kraftig økt behov for lading. Kjerneproblemet er batteriene. Tesla oppnår langt større rekkevidde enn andre elbilfabrikanter fordi selskapet utstyrer biler med store og dyre litium-ion-batterier. Denne batteritypen er svært populær i forbrukerelektronikk som bærbare PCer og mobiltelefoner, med god grunn: li-ion leverer mye energi i forhold til vekten, lades raskt opp og mister lite strøm når den ikke er tilkoblet ladekilden. Så langt, så bra.

Men som navnet antyder, baserer batteritypen seg på metallet litium, og det er her problemet oppstår. Litium er en begrenset ressurs: den samlede mengden på Jorda som kan teoretisk sett kan utvinnes lønnsomt anslås til mellom 11 millioner og 28 millioner tonn. Det høres kanskje mye ut, men det samme gjelder for litium som for olje: det er ikke den anslåtte størrelsen på tanken som er viktig, men kapasiteten til kranen. Og dagens produksjonstakt er altfor lav til å håndtere til å håndtere den forventede etterspørselen fra elektriske kjøretøy.

Ifølge rapporten The Trouble with Lithium (PDF) er verdens samlede produksjonskapasitet idag stor nok til å konvertere 10 % av de 60-70 millioner bensinbiler som produseres årlig til plugginhybrider (det vil si biler med batterier som gir en rekkevidde på noen få mil). Hvis Bolivia og Kina (et annet litium-land med potensiale) får sving på produksjonen sin, er man likevel begrenset av tilgjengeligheten av metallet: å utstyre 700 millioner biler med et moderat litiumbasert batteri vil kreve 25 % av Jordas samlede ressurser. Om alle biler på Jorda idag hadde de store batteriene som Tesla bruker, ville vi kunne gå tom for litium.

En overgang til litium har også politiske konsekvenser. 80 % av de kjente reservene er i Sør-Amerika. Verdens største potensielle litiumkilde er saltsjøen Salar de Uyuni i Bolivia, som ligger mer enn 3600 meter oppe i Andesfjellene, og som foreløpig ikke er utnyttet fordi den bolivianske regjeringen vil la et statlig selskap ha kontrollen over en viktig strategisk ressurs.

Selv om litium har den store fordelen at det kan resirkuleres, er likhetstrekkene med olje (begrensede reserver konsentrert i et politisk turbulent område) mange nok til at man må stille seg spørsmålet: er verden tjent med å bli like avhengig av velviljen til Evo Morales og hans etterfølgere, som den nå er av huset  Saud? Og risikerer man ikke at knapphet på litium vil gjøre batteridrevne biler så dyre at de blir uoppnåelige for det store flertallet av fremtidige bilister i land som India og Kina?

Det forskes på en rekke alternativer til litium-ion, som nanobatterier, superkondensatorer og litium-luft-teknologi. Men felles for alle er at det kreves år med forskning før de eventuelt kan lanseres på markedet i stor skala. I så måte er batteriteknologi et av de beste eksemplene vi har på innovasjon som hemmes av beinharde fysiske realiter (romraketten er et annet, forøvrig). Å finne en fullgod erstatning for oljen blir ikke lett, og definitivt ikke billig for forbrukerne. Det meste av menneskenes historie har energi vært omstendelig og kostbart å få tak i. Oljealderen kan i fremtiden bli sett på som et kortvarig unntak fra den regelen.

Share/Bookmark

Litium-luft-batterier kan gjøre elbiler konkurransedyktige

En rekke firmaer har den siste tiden begynt å vise interesse for en teknologi som i teorien kan øke kapasiteten i litium-baserte batterier opptil ti ganger, melder Technology Review. Mest kjent er IBM, hvis  forskningsavdeling har lang erfaring med forskning på batterier for bærbare PCer. Chandrasekhar  Narayan ved IBM Research i Almaden, California påpeker at litium-ion-batterier, som brukes i dagens bærbare PCer, ikke har potensiale til å bli mer enn dobbelt så effektive som nå.

lithium-air-battery-image-01

Skjematisk tegning av litium-luft-prosessen. Kilde: Treehugger

Det innebærer at litium-ion ikke kan gi oss billige elbiler med en rekkevidde på 400-500 kilometer per lading, som regnes som nødvendig for å kunne konkurrere med bensinbiler (Tesla Motors Model S har en slik rekkevidde, men er langt fra billig). Løsningen er såkalte litium-luft-batterier, mener IBM. Dette er en batteritype som utnytter reaksjonen mellom litiummetallet i batteriet og oksygen i luften. I praksis fungerer luften som katoden i batteriet, noe som gir en betydelig innsparing på vekten og en ditto økning av kapasiteten per kilo patteri.

En rekke problemer gjenstår før vi er i nærheten av å ha et kommersielt brukbart produkt, imidlertid. Fuktighet er et av de viktigste: litium reagerer voldsomt med vann, og luft inneholder en viss andel vanndamp som må filtreres vekk før den når litiumet i batteriet. Det må også utvikles en langt bedre katalysatorer som reverserer den kjemiske prosessen under lading. Derfor er ingen villig til spå når slike batterier kommer på markedet – ifølge IBM-forsker Narayan vil et tids- og kostnadsoverslag først foreligge om halvannet år.

Hydrogenbilen parkert for godt?

For et par dager siden gravla i praksis den amerikanske energiministeren Steven Chu landets satsing på hydrogendrevne biler, melder Discover Magazine og Technology Review. Ifølge CNET News har Chu begrunnet et kutt i all satsing på annet enn stasjonære brenselcelle-anlegg slik i en kommentar til 2010 års energibudsjett:

We asked ourselves, ‘Is it likely in the next 10 or 15, 20 years that we will convert to a hydrogen car economy?’ The answer, we felt, was ‘no’.

Selv om dette ikke behøver å hindre en skeptisk bilindustri i å videreutvikle hydrogenbilen, innebærer det at verdens viktigste økonomi har valgt å prioritere plugin-hybrider og konvensjonelle elbiler. Selv om enkelte amerikanske miljøvernere argumenterer for at man bør satse på alle teknologier samtidig, er beslutningen lett å forstå og forsvare sett i lys av krisen og det manglende utviklingspotensialet.

Ja, for man kommer ikke unna at hydrogenbiler ligger etter konkurrentene på to avgjørende områder: drivstoffproduksjon og infrastruktur. Elbilen ligger best an: å produsere nok CO2-nøytral strøm og sørge for nok ladepunkter til alle elbiler, handler hovedsaklig om å skalere opp velkjent teknologi. Biobrensel har sine problemer på produksjonssiden, men om man får det til kan CO2-nøytrale plugin-hybrider benytte seg av det eksisterende nettverket av bensinstasjoner, f.eks.

dsc_8608_11

DNV Fuel Fighter. Kilde: www.fuelfighter.no

I kontrast til dette er vi ennå svært langt unna hydrogenproduksjon i stor skala som ikke er baserer seg på naturgass, og problemene med å transportere og lagre hydrogen medfører at man må bygge ut en helt ny infrastruktur som kan skille seg radikalt fra den vi kjenner idag. Det er det gamle problemet om skalerbarhet igjen: i laboratoriet er hydrogenbilen den beste teknologien av alle. På virkelighetens veier kommer den til kort i overskuelig fremtid.

Hvilket ikke betyr at vi ikke bør verdsette den norske seieren i Shell Eco Marathon nylig, der ti studenter fra NTNU vant med hydrogenbilen DNV Fuel Fighter. Effektiviteten (selv når man tar høyde for en dødvekt på 70-80 kg) på 0,01 liter bensinekvivalenter per mil er imponerende, og gir et hint om hvor mye mer energisnåle enn plugin-hybrider hydrogenbiler kan bli.

Men det er greit å ha in mente at DNV Fuel Fighter er bygd i et land med enorme reserver av det viktigste utgangspunktet for hydrogenproduksjon, og offentlige og private midler nok å investere i kostbare prosjekter som HyNor. Obama-administrasjonen er i en ganske annen situasjon enn regjeringen Stoltenberg – den har blant annet en langt større bilindustri enn Think-produsenten å redde.

Glem det, NSB

Jeg reiser mye i forbindelse med arbeidet, og har som følge av det et karbonregnskap jeg ikke er spesielt stolt av. Hvis jeg f.eks. skal delta i et møte i Bergen, står jeg ifølge SAS’ utslippskalkulator for utslipp på 52 kilo CO2 hver vei (gitt 72 % setedekning), som er rett under 1 % av det samlede gjennomsnittlige utslippet per nordmann (5,7 tonn CO2 per år). Reiser jeg tilbake samme dag, har jeg altså “brukt opp” 2 % av årskvoten min på én dag.

Bergensbanen

Bergensbanen krever sitt. Kilde: Flickr (abbilder)

Ikke heldig, åpenbart. Men å finne alternativer er sannelig ikke lett. Videokonferanseutstyr eller Skype-konti er fremdeles ikke utbredt nok til at møter kan tas på den måten, og hadde jeg hatt bil ville utslippene ifølge NSBs miljøkalkulator blitt 44 kilo. Nå spriker disse beregningene en del. SAS-kalkulatoren anslår 20 kilo mindre i utslipp fra fly enn NSB-kalkulatoren, mens gjennomsnittlig utslippstall for bensinbiler i 2008 (159 gram CO2 per kilometer) gir et utslipp på 75 kilo for en kjørelengde på 477 km, altså 30 kilo mer enn NSB-kalkulatoren.

Uansett vil utslipp fra bil og fly være betydelig mye større enn ditto fra et tog som drives med norsk vannkraft eller svensk kjernekraft. NSB anslår 1,9 kilo for Bergensturen, noe som er svært fristende for en mann som ifjor sved av over et tonn CO2 på én tur til India (inklusive innenriks flyreiser). Men NSB har altså ikke lagt ting til rette, for å si det mildt. For selv når møtet jeg skal delta i starter 14.00, rekker jeg det ikke når jeg tar første morgentog fra Oslo – det har avgang 08:11 og ankomst 14:52.

Seks og en halv times reisetid er definitivt i overkant, men jeg ville i det minste ha vurdert å reise én vei til Bergen om jeg hadde hatt en fair sjanse til å ankomme rundt 12, og i tillegg hadde tilgang til nett underveis. Slik situasjonen er nå, må jeg rett og slett smøre meg med tålmodighet til etter 2020 eller se, da vi kanskje kan få se Ringeriksbanen og den tidsforkortelsen den innebærer. I mellomtiden flyr jeg, med dårlig samvittighet.