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.

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.

Cykel: Futuristisk elektrisk bysykkel-konsept

Via TreeHugger-bloggen fant jeg denne interessante konsepttegningen av en elektrisk bysykkel. I takt med at bysykkelfenomenet brer om seg, øker behovet for sykler som brukes av folk som ikke er i så god form, eller som kan gi bedre dekning i byer med mange bakker (som San Fransisco).

cykel_electric_bike_2

Det er ikke første gang elsykler blir brukt på denne måten, men det spesielle her er hvor gjennomført konseptet er. Sykkelen har stangdrev istedenfor kjede, noe som reduserer vedlikehold og skader på klær, hjulene er av solid gummi og låsemekanismen fungerer også som ladeporter. Liksom med andre elektriske sykler kan den også drives med pedalkraft. Og sist, men ikke minst: den er faktisk pen. Noe for bakkebyen Oslo? ;-)

Hundre millioner elsykler i Kina kan forandre verden

Time Magazine skriver om kjøretøyet som knapt er å se på norske veier, men som det på verdensbasis selges 25 millioner av hvert år – mot rundt 60 millioner biler i gode tider. Den elektriske sykkelen, forkortet elsykkelen, er et svært viktig kjøretøy i Kina. Ifjor ble det solgt fire ganger flere slike sykler enn det ble solgt biler, og det finnes nå 100 millioner av dem på kinesiske veier. Man kan antagelig hevde at e-sykkelen er et vel så viktig persontransportmiddel som bilen idag.

3404247756_89b1ba108c

Eksempel på elektrisk sykkel i Kina. Kilde: Flickr (cc)

Det er mange årsaker til at dette skjer i Kina. Historisk sett har kommunistpartiet støttet sykkelen som transportmiddel, og derfor finnes det fremdeles brede sykkelstier i mange kinesiske storbyer. I 1991 gjorde myndighetene elektriske sykler til et satsingsområde, og idag har Kina 90 % av verdensmarkedet med over 2700 produsenter. At elsykkelen er teknisk enkel –  ofte handler det om å montere en elektromotor og et batteri på en konvensjonell sykkel – gjør terskelen for å starte produksjon lav.

E-sykkelen er også billigere i innkjøp og drift enn noe bensindrevet kjøretøy, med en startpris på rundt $290. Og med en rekkevidde på mange titalls mil (avhengig av batteritypen – de fleste kinesiske elsykler drives med blybatterier) og hastigheter på 20-25 km/t ser det ut til at elsykkelen har truffet en “sweet spot” i det kinesiske transportmarkedet, som direktøren for en ledende produsent påpeker:

Motorcycles are too dangerous, cars are too expensive, public transportation is too crowded and pedal bikes leave you too tired. So people buy e-bikes.

Miljøaspektet er raskt i ferd med å bli et av e-sykkelens sterkeste kort. I overfylte og forurensede storbyer er det åpenbart en fordel med avgassfrie kjøretøy, og hvis kinesiske myndigheter når sitt mål om at 20 % av energien i landet skal komme fra fornybare kilder kommer også elsykler til å bidra mye til å kunne Kinas utslipp av klimagasser. På sikt kan elsykkelen bane vei for elbiler i stor skala – i Kina har man allerede en solid base av kunder som vet at elektrisk transport er billig og pålitelig i hverdagen.

Her har vi et eksempel på en elektrisk teknologi som fungerer i stor skala, og som nå har begynt å få global utbredelse. I Japan selges det over 300 000 elsykler hvert år, og man regner med at markedet i India og Sørøst-Asia vil ta av når når produksjon og pris gjør dem tilgjengelige for middelklassen som nå vokser fram. I en verden som har ca 700 millioner privatbiler idag, og som forventes å ha 3 milliarder biler i 2050, peker elsykkelen seg ut som en løsning som både sparer energi, ressurser, plass og – høyst sannsynlig i fremtidens overbefolkede og trafikktette megabyer – tid.

Et interessant spørsmål for oss er om teknologien kun vil fungere som en slags fattigmanns scooter, eller om det også kan finnes en nisje for elsykkelen i det norske transportmarkedet. Per idag sykler nordmenn i langt mindre grad til jobben enn andre europeere, jamfør disse tallene fra Nasjonal Sykkelstrategi (PDF, en del av Nasjonal Transportplan 2006-2015):

I Norge foregår mellom 4 og 6 % av antall personturer på sykkel. Andelen ligger på mellom 5 og 10 % i de fleste europeiske land, med Nederland på topp (29 %). Av alle bilreiser i Norge er hele 46 % kortere enn 5 km. I følge en studie av TØI er det mulig å få 35 % av disse bilførerne til å gå eller sykle. Hvis også reiser blant bilpassasjerer og kollektivtrafikanter inkluderes, er det beregnet at gang- og sykkeltrafikken kan økes med opp mot 50 %.

Men verken denne strategien eller noen av de andre planene og utredningene jeg har lest om dette, sier noe om elsykler. Det er ganske slående, når vi vet at den største forskjellen på Norge og land vi gjerne liker å sammenligne oss med (Sverige og Danmark, f.eks., med sykkelandeler på henholdsvis 12 og 17 prosent) ligger i topografien. Mens det sørlige Sverige og hele Danmark gjennomgående er flatt og sykkelvennlig, er store deler av vårt land en eneste lang oppover- eller nedoverbakke.

Dette gjelder også i landets største by, der jeg bruker en konvensjonell sykkel som transportmiddel i det daglige. Mens Oslo sentrum ligger på havnivå eller like over, bor en stor andel av byens befolkning oppe i høyden i Groruddalen, Grefsen, Kjelsås, Tåsen osv. Problemet for en typisk pendler er ikke å komme seg til jobben, men å streve seg hjemover langs kilometerlange stigninger  til bydeler som Grorud og Røa – om nødvendig med matvarer og unger på slep.

I Norge vil elsykkelen ikke kunne erstatte bilen, og neppe bli brukt mye om vinteren (selv om denne ivrige syklisten mener noe annet). Men som transportmiddel som kan gjøre livet lettere hvor hverdagspendlere i sommerhalvåret, kan elsykkelen åpenbart ha nytteverdi. Problemet idag er forsåvidt ikke lovverket – elsykler regnes som sykler og ikke mopeder såsant motoren kun går når man trår på pedalene, har en effekt på under 250 Watt og kobles ut ved hastigheter over 25 km/t – men tilgang og pris.

Idag selges ikke elsykler i vanlige sportsbutikker eller sykkelforhandlere, og man er henvist til nettbutikker som bare fører et bestemt merke (det kan se ut som om det er lettere å bestille i Danmark og Sverige). Prisen er relativt høy, og det finnes ingen fradrags- eller støtteordninger. Ladepunkter og egnete parkeringsplasser for disse tyveriutsatte syklene kan vi også se lenge etter. Resultatet er at et godt alternativ til bil nummer to i en familie med flere, og til bil nummer én for en singelhusholdning, i praksis er uaktuelt. Kanskje en sak å ta opp for det politiske miljet, nå som et av regjeringspartiene vil forby bensinbiler innen 2015?

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.

Plugin-hybrider mindre effektive enn trodd?

FuturePundit skriver om resultatene av de første større forsøkene med plugin-hybrider i USA, og konstaterer at resultatene så langt er skuffende. Målet med forsøket var å demonstrere at plugin-hybrider kan kutte bensinforbruket til 0,23 liter på mila, men isteden endte man på mer ordinære 0,47 liter/mil. Tallet er selvsagt enda lengre unna de 0,16 liter/mil (eller 150 miles per gallon) som president Obama nylig nevnte som begrunnelse for å satse på å få én million plugin-hybrider på veiene innen 2015.

800px-toyota_-_prius_plug-in_hybrid

Toyota Prius konvertert til plugin-drift. Kilde: Wikipedia

Plugin-hybrider er utstyrt med elektrisk og bensindrevet motor og er – i motsetning til standardutgaven av den populære hybriden Toyota Prius – istand til å kjøre på batteri alene over korte distanser. Siden 70% av alle kjøreturer er av det korte slaget, burde slike biler ha svært god bensinøkonomi. Som direktør Kåre Foss i Autoindustri AS sa til Teknisk ukeblad ifjor:

Dagens hybridbiler er bare 10-20 prosent elektriske. Det er bensinbiler som får litt elhjelp. Med plug-in-hybridene er det motsatt. De vil være 80-90 prosent elektriske.

I Seattle, Washington har man testet 14 plugin-hybrider, og resultatet er entydig: bensinforbruket er omtrent som for en konvensjonell hybrid. En av årsakene er teknisk: Seattle bruker konverterte Priuser med svake elmotorer, noe som gjør at bensinmotoren slår inn ved relativt lave hastigheter. Men hovedårsaken til det dårlige resultatet er menneskelig, og dermed relevant for denne teknologiens fremtid: det ser ut til at brukerne slurver med å lade opp bilene sine.

Dermed blir batteriet i praksis dødvekt i en bensindrevet bil. Siden dette var et forsøksprosjekt betalte ikke bilistene for bensinen, men det er ikke vanskelig å se for seg en situasjon der eiere av hybrider dropper lading når bensinprisen er lav, for eksempel. Futurepundit konkluderer med at hybridbilister faktisk må vennes til å lade hver dag, og samtidig trenes opp til å kjøre annerledes for å få mest mulig utbytte av eldriften. Som Dan Davids fra Plug-In America sier til Wired Magazine:

“I agree with anyone who says 100 to 150 mpg is out of line. That’s been hyped too much. But we shouldn’t indict the technology. It’s a people problem.”