Batterikjøretøy i 2030

Batterikjøretøy i 2030 Elbiler begynner å bli svært synlige på norske veier. Fra produsentenes side er elbiler tatt fra å være testserier fra nisjeprodusenter, til at store, etablerte selskaper leverer biler som er helt som konvensjonelle biler. Riktignok er det ingen andre steder enn i Norge at elbiler fases inn med like stor takt. Likevel er det bred enighet om at elektrifisering av veitransporten er i gang, og at det vil være med på å endre mobilitet slik vi kjenner det i dag. I dag er elbiler synonymt med batteribiler. Avhengig av virkemidler, teknologisk utvikling, og fornybar kraft i energisektoren vil de snart få følge av elbiler drevet av hydrogen. I tillegg til konvensjonelle bilstørrelser vil vi også se en rekke lettere batteridrevne kjøretøy med relativt kort rekkevidde, ikke minst i markeder som Kina og India. I Norge ser vi allerede konturene av det nye urbane, elektriske kjøretøysegmentet; elektriske mopeder, motorsykler, og ikke minst ståhjulinger vil bli mer synlige i årene som kommer. Flere land i Europa har kommet lenger enn oss i Norge på å teste ut batteridrift i tyngre kjøretøy. Norge er likevel helt i front når det kommer til elektrifisering av maritim sektor, både med hybridisering og helektriske ferger. Batterier i transportsektoren er først nå i ferd med å bli den viktigste driveren for batteriutviklingen. Selv om biler har store batterier, er elbilene utrolig få sammenlignet med mobiltelefoner, nettbrett, bærebare datamaskiner og alt annet man bruker batterier til. I årene fram mot 2030 vil vi se batterier gjøre tjeneste i en hel rekke nye applikasjoner, og sannsynligvis gjøre elektrifisering av helt nye typer kjøretøy mulig. Utviklingen reiser en rekke spørsmål: Hva kan teknologien brukes til? Hvor bra kan den bli? Hvor mye kan den hjelpe oss til å redusere utslipp? Har vi nok råstoff til å produsere alle batteriene? De kommersielle elbilene som finnes i dag bruker litium-ion-batterier (li-ion). Tidligere biler har blant annet brukt bly-syrebatterier, eller nikkel-kadmiumbatterier. Li-ion-batteriene har til nå vært det beste valget med tanke på vekt, volum, levetid og sikkerhet. Li-ion-batteriene er likevel ikke noen enhetlig beskrivelse på batteriene som blir brukt i dag. Den beskriver egentlig bare den elektrokjemiske reaksjonen med litium-ioner som avgjørende i batteriets kjerne. Mange andre metaller og materialer blir brukt til aktive materialer i batteriene. Disse kalles ofte ulike batterikjemier. Ulike batterikjemier blir valgt for å finne gode avveininger mellom levetid (både antall ladesykluser, og levetid i år), pris og sikkerhet. Man kan stadig lese om ulike prosjekter og forskningsresultater knyttet til batteriutvikling. Mange ganger blir disse framstilt som alternativer til dagens li-ion-batterier, når det i virkeligheten er nye batterikjemier som blir testet ut. Noen jobber også med helt andre batterikonsepter, men mange batterieksperter mener det er minst 10 år fram i tid før vi får se ny teknologi som er så utprøvd og gjennomarbeidet at vi får se denne i kommersielt tilgjengelige biler. På kort og mellomlang sikt er det gradvise forbedringer av dagens li-ion-teknologi som er mest aktuelle. Dette er ofte nye produksjonsmetoder for å redusere energibruk eller endret materialbruk

2 for å redusere prisen. Mer nøyaktig produksjon av komponentene kan gjøre at levetiden og sikkerheten blir bedre. Mer avanserte kontroll- og styringssystemer for batteriene, og mer erfaring kan gjøre at vi kan få batterier som tar mindre plass. I dag vil mange trekke på erfaringer fra mobiltelefoner og datamaskiner når de uttaler seg om batterier, også for elbil. Derfra kommer også frykten for dårlig batterilevetid. Se for eksempel dette oppslaget: http://www.tu.no/industri/2014/12/06/batteriekspert-om-batterier-pa-skip--en-blindvei. Imidlertid er batteriet i en mobiltelefon nokså kompakt. Typisk består det bare av en enkelt li-ioncelle. Som eksempel kan vi se på et batteri fra en mobiltelefon fra LG. Et slikt batteri kan lagre 5,6 Wh energi. De ytre målene på batteriet er (6,5 * 4,3 * 0,5) cm, eller 0,000014 m3. Det betyr at på 1 m3 kunne den ha lagret nærmere 400 kwh, eller at de 24 kwh en Nissan Leaf har med seg kunne fått plass på 60 L, veldig tilsvarende det en bensintank tar i dag. Nå batteriet i en Nissan Leaf tar betydelig større plass enn det, er det fordi man har valgt kjemier som er sikrere og har lengre levetid, med blant annet det kompromisset at batteriet tar større plass. I tillegg består et slikt stort batteri av 196 celler som er koblet sammen elektrisk, elektriske kretser for overvåkning og styring, strukturell integritet for sikkerhet og levetid, og ikke minst en viss modularitet, slik at man kan bytte mindre deler av batteriet om det skulle svikte. På alle disse punktene er det rom for stadige forbedringer, som vil gi batteripakker som er sikrere, har bedre levetid og er lettere, mindre og billigere i årene som kommer. Figur 1: Batteripakken i en Nissan Leaf består av 48 moduler med fire celler (grå bokser) hver.

3 Nanoteknologi Batterier i dag blir produsert med stadig større presisjon. Imidlertid finnes det nye muligheter innen feltet man litt stort kaller nanoteknologi. Med nanoteknologi kan man bruke og sette sammen ørsmå partikler. Dagens batterier har partikler som er over 100 ganger større enn det det jobbes med innen nanoteknologifeltet. Økt presisjon i produksjonen vil kunne gi bedre levetid, mindre bruk av råmaterialer, mindre temperaturavhengighet, høyere effekt på ladning og utladning. Toshiba, blant andre, jobber med slike batterier. I Australia har nanoteknologiforskere utviklet «superkapasitorer» som i kombinasjon med ordinære batterier kan bidra til å øke elektriske bilers rekkevidde og redusere ladetiden betraktelig. Forskerne arbeider også med å utvikle kapasitorene slik at de kan erstatte ordinære batterier fullstendig. Organiske batterier Flere teknologiske spor følges for å utvikle batterier basert på organiske materialer. Grovt sett dreier det seg om å utvikle løsninger basert på ulike former for karbonforbindelser i stedet for metallbaserte løsninger. Disse er nok et stykke unna kommersialisering i biler, mens ulike løsninger kan være aktuelle i stasjonær energilagring sammen med fornybar kraft, eller som bittesmå energilager i elektronikk. En mye omtalt løsning er fra Japan Power Plus, som bruker karbon fra bomull til å lage nye typer batterier som skal ha høy kapasitet, og tåle mange sykluser. Teknologien er imidlertid proprietær, og det er lite kjent hvor nær slik teknologi er kommersialisering. Lykkes man med organiske batterier kan dette bane vei for svært billige batterier med materiale som kan produseres mer lokalt, og som kan resirkuleres enklere. Metall-luftbatterier Litium-ion-batterier bruker metallet litium i en elektrokjemisk reaksjon som foregår inne i batteriet. Man kan også bruke svært reaktive metaller slik som litium og aluminium til å produsere strøm med en reaksjon mellom metallet og oksygenet i lufta omkring. Slike batterier er omtalt som metall-luft, mest omtalt er aluminium-luft (Al-air). Disse gjør det mulig å lagre mye energi på lite volum og vekt. Det israelske selskapet Phinergy, har utviklet et Al-air-batteri som kan brukes i biler. Et slikt batteri kan gi en funksjonell rekkevidde på ca. 2000 km og fortsatt få plass i en bil. Den store ulempen er at batteriet ikke egentlig er ladbart, og er mye mindre energieffektivt enn dagens Li-ion-batterier. Det trenger påfyll av vann, og aluminiumet blir oksidert, og må erstattes. Batteriet er bare «ladbart» i den forstand at aluminiumet lett kan resirkuleres - i en prosess som da ligner på deler av den kommersielle framstillingen av aluminium. Men slik teknologi kan man se for seg at en elbil har et ladbart Li-ion-batteri som tar seg av de daglige turene, mens Al-air-batteriet kan tæres på under lengre turer, og fungere som generell backup i hverdagen. Aluminiumbatteriet kunne blitt skiftet noen ganger i løpet av bilens levetid som en del av ordinær service hos forhandler. Flow-batterier I motsetning til vanlige batterier, baserer flow-batterier seg på at de aktive flytende komponentene pumpes forbi membranen der strømmen blir produsert. Dette er selvfølgelig mye mer komplisert enn et vanlig batteri, i og med at det trengs pumper og tanker for å drive det hele. Det finnes ulike tilnærminger til slike batterier, blant annet kombinert med organiske materialer. Fordelene med et slikt system er at levetiden kan bli svært lang, og at hele systemet kan bli «ladet» raskt ved å bytte ut væskene, eller ved vanlig lading. Slike løsninger kan være aktuelle i kraftnettsammenheng for lagring av energi. I alle fall på kort sikt er det ikke forventet at slik teknologi vil finnes i biler, men store implementering kan være aktuelt i skip og ferger.

4 Figur 2: Flow-batteri (Wikipedia) Hva kan gå på batteri? De første elektriske bilene var stort sett små, og hadde relativt kort rekkevidde. Det var hensiktsmessig fordi batteriene var dyre og tunge, og man ønsket å begrense investeringer og bilens energibruk. Fortsatt er det gode grunner til å forflytte seg i et så lite kjøretøy som mulig, men utviklingen i pris, samt volum og vekt har gjort det mulig å lage store elbiler med lang rekkevidde, slik Tesla har vist. Med bly-syrebatterier hadde det ikke vært mulig å lage en Tesla Model S; batteriene hadde tatt for stor plass og vært for tunge til at bilen kunne ha hatt 85 kwh batteri. Utviklingen innen elbil har også gjort det mulig med ladbare hybridbiler, og gjør det også naturlig at hydrogenbiler i framtida blir ladbare hybrider. Figur 3: Buddy, Renault Twizy og Tesla Model S. (Foto: Wikipedia, Renault, Tesla) Samtidig har mulighetene som har kommet med Li-ion-batteriene ikke bare muliggjort store biler, men også stadig mindre og lettere kjøretøy. Elektriske motorsykler, mopeder, elsykler og ståhjulinger hadde også vært vanskelig med gammel batteriteknologi. Dagens Li-ion-batterier tilbyr relativt vedlikeholdsfrie og væskefrie batterier.

5 Figur 4: Segway, Solowheel, og Brammo (Foto: Produsentene) Hvis vi antar at omtrent to millioner biler er ladbare i Norge i 2030, der halvparten er ladbare hybrider med i snitt 10 kwh batteri, og resten er rene elbiler med i snitt 40 kwh batteri, blir det en total batterikapasitet på 25 000 000 kwh I dag er mange leverandører i gang med å utvikle elektriske busser. Testprosjekter med noen elektriske busser finnes i en rekke europeiske byer. Vi kan dele tilnærmingen til elbusser i to: Enkle busser med relativt store batterier som gjør det mulig å kjøre et dagsarbeid på en ladning, med lading om natta. Egner seg dersom man har få busser og et relativt enkelt transportarbeid. Busser i mer avansert system med hyppig ladning med høy effekt, og litt mindre batterier. Egner seg dersom man har mange busser satt i system, der man kan flytte noe av kostnaden med batterier over på et mer avansert ladesystem. Figur 5: BYD helelektrisk leddbuss, og TOSA i Genève med rask ladning (Foto: electriccarsreport.com, eltis.org) Vi ser at de fleste busselskaper som tester elektriske busser i dag prøver med busser som kan lades over natta, for så å kjøre nokså langt i løpet av dagen. En buss som BYD sin K9 (over) kan kjøre ca. 250 km per ladning. Dersom man rekker å lade litt i løpet av dagen kan den selvsagt kjøre mer. Dersom elbusser skal bryte gjennom i større segmenter innen kollektivtransport er det naturlig at man ser på automatiserte løsninger for lading. TOSA-prosjektet i Genève (over), der ABB er involvert i leveransen av ladeløsningen, baserer seg på en kontakt fra bussen som stikkes opp i en lader over holdeplassene. Ved å lade på høy effekt (ca. 400 kw) kan man overføre nok energi på noen sekunder til at man kan kjøre videre og lade på en ny holdeplass. Siemens er også involvert i et lignende system

6 som blant annet testes ut i Stockholm. Flere prosjekter prøver også ut trådløs induktiv lading. Her er ladeteknologien integrert i bakken. Implementering av slike systemer vil nok være kostbart i starten, men man vil samtidig kunne spare mye på å fase ut fossilt drivstoff, og man vil redusere store lokale utslipp og støy i byene. Til sammen kan disse to teknologisporene dekke mobilitetsbehovet til alle rutegående busser i byer. En BYD K9 elektrisk buss har et batteri på 324 kwh. Dersom alle bussene skulle vært elektriske i Norge, og vi antar at noen busser vil ha større batterier, men at mange vil ha mye mindre batterier og mer avansert lading, kan vi anta at elbusser i Norge i 2030 kan ha installert batterikapasitet på i gjennomsnitt 250 kwh per buss. I dag finnes omkring 17500 busser i Norge, men med økt befolkning og mer kollektivtransport må vi forvente at det tallet øker mot 2030. Dersom 25 000 busser skulle ha hatt 250 kwh batteri, vil det tilsvare 6 250 000 kwh batteri, eller 260 000 Nissan Leaf. De fleste lastebiler har et mindre fast kjøreopplegg enn busser. Imidlertid finnes det helelektriske lastebiler med faste kjøreruter som kan egne seg for elektrifisering. For mindre leveranser finnes også elektriske varebiler. Heineken har satt i drift relativt store lastebiler drevet utelukkende på batteri. Den 19-tonns lastebilen med ni tonn lasteevne kan kjøre 200 km før den må lades, og opererer i dag og leverer øl til utsalgssteder i Rotterdam. For andre lastebiler kan hybridisering være med på å redusere både drivstofforbruk, men kanskje enda mer redusere partikkelutslipp. Kombinert med biodrivstoffløsninger kan hybridlastebiler bli en svært god klimaløsning. For svært trafikkerte strekninger kan lastebiler med kjøreledninger være et alternativ. Det finnes teststrekninger, som blant andre Scania og Siemens er involverte i. Figur 6: Scania el-lastebil med SIEMENS ehighway kjøreledning. (Foto:ecomento.com) Batteriferga Ampère (bygd av Fjellstrand, operert av Norled) trafikkerer strekningen Lavik-Oppedal fra januar 2015. Denne ferga viser en rekke løsninger knytta til batteribruk og automatiserte

7 ladesystemer. Den benytter også en batteribuffer på land, for å håndtere et noe underdimensjonert kraftnett. Ferga har en batteripakke på ca. 10 tonn, som lagrer 1000 kwh med strøm, selv om den bare bruker ca. 155 kwh per overfart. Fergen og batterisystemet er designet slik at bare en liten del av kapasiteten i batteriet brukes i hver overfart. Mens fergen tømmes og fylles ved land lades så batteriet opp igjen. Dette øker levetiden betraktelig. Batterisystemet i Ampere har en garantert levetid på ti år. Nok batterier til alle fergene Det er en naturlig reaksjon at man tenker at batterier i ferger vil legge beslag på store mengder batterier. Imidlertid er ferger nokså få, sammenlignet med antall biler. Batterimengden ferga Ampère legger beslag på er bare ca. 12 ganger mer enn en Tesla Model S. Dersom man antar at alle fergene i Norge tilsvarer omtrent 300 ganger ferga Ampère i kapasitet og ytelse, betyr det at dersom alle fergene skulle vært elektriske, hadde det kun tilsvart en batterikapasitet på omkring 3600 elbiler av typen Tesla S. Batterier også i andre skip Vi ser nå at også en del andre skip installerer til dels store batteripakker i hybrid drift på skip og ferger. Slike ikke-ladbare hybrider kan bidra til å redusere drivstofforbruket kraftig, nok til at investeringen i batteripakken er lønnsom på egne ben. Siden de fleste større skip og ferger opererer med dieselelektrisk drift, er også implementeringen forholdsvis enkel. Siemens sammen med batterileverandøren Corvus leverer noen av de største batteripakkene til skip. Scandlines MF Prinsesse Benedikte har en installert batteripakke på 2,7 MWh. Ferga tar 1140 passasjerer og 364 biler, og en marsjfart på 18,5 knop. Figur 7: MF Prinsesse Benedikte Tre slike ferger til blir hybridisert. Vi kommer nok også til å se en rekke lignende prosjekter, drevet fram av økonomiske hensyn, og kanskje også som følge av strengere miljøkrav nær kysten. I kombinasjon med landstrøm er det også naturlig at vi får se ladbare hybride ferger. Batterier kan bidra til hel-, eller delelektrifisering av store deler av transportsektoren. Fram mot 2030 er det mulig med relativt store endringer, dersom sterke politiske virkemidler tas i bruk. Vi ser nå at elbiler utgjør en betydelig del av bilsalget i Norge. Flere modeller kommer til, ikke minst ladbare hybridbiler. I 2020 vil det være ladbare biler i alle segmenter. Norge har mulighet til å ligge helt i front og vise at det går an å få til en total omlegging fra forbrenningsmotor til elektrisk drevne biler. Hvis så godt som alle bilene som selges i 2020 er ladbare (hybrider eler helelektriske biler), vil de utgjøre rundt 70 % av alle bilene på veien i 2030. På buss-fronten leder Kolumbus og Ruter an. Kolumbus har kjøpt inn to helelektriske busser. Ruter har som mål å bli fossilfrie innen 2020. I første omgang skal de kjøpe inn flere titalls elbusser.

8 Erfaringer fra disse vil være viktig også for andre, mindre byer. Gitt at sterke miljømål blir fulgt opp, er det realistisk at alle bybusser er hybride eller helelektriske i 2030, i kombinasjon med hydrogen og biodrivstoff. Dagens regjerings mål om at staten gjennom anbud skal bidra til at null- og lavutslippsteknologi blir valgt der det er mulig, vil kunne drive fram mange nye ferger drevet med batterier. Det er ikke usannsynlig at hydrogendrift også vil bli vurdert mange steder, særlig der batteridrift kan bli vanskelig. Selv med stor innfasing av batterier i ferger over de neste 15 årene fram mot 2030, er det sannsynlig at hybridisering av andre skip vil være minst like drivende for batteribruk i maritim sektor. I hybride skip, og hybride lastebiler vil sannsynligvis i stor grad bli drevet fram av rene lønnsomhetskrav, og eventuelt utslippskrav, mens helelektriske skip drevet av batteri nok vil være en sjeldenhet også i 2030. Batterier brukt i transportsektoren er raskt på vei til å utgjøre den største delen av batteriproduksjonen i verden. Det er nærliggende å spørre seg om hvorvidt vi har ressurser nok til at alt skal gå på batterier. Selv om batterier kan brukes i busser, skip, og lastebiler, ser vi av estimatene gjort over at bilparken etter all sannsynlighet blir den største driveren for batterietterspørsel. Siden dagens batterier baserer seg på litium er det naturlig å spørre seg om det er nok litium til alle batteriene. I tillegg til litium inneholder selvfølgelig batterier spesielt, og biler generelt store mengder andre metaller og materialer. Dessuten, dersom etterspørselen etter kjøretøy fortsetter å øke, er det vanskelig å se for seg at man har nok ressurser uansett hvilket materiale man fokuserer på. I studier rettet spesifikt mot tilgangen på litium over tid, er det imidlertid verdt å merke seg at mengden litium som går med til hver kwh batteri kommer an på batteriteknologien og produksjonsmetodene. Det er naturlig å se for seg at forbruket vil gå ned, spesielt hvis prisene etter hvert går opp. På sikt er det også å forvente at økt press på ressursene vil drive fram løsninger som ikke baserer seg på litium. Flere av teknologisporene vi har pekt på i dette notatet er relevante i den sammenhengen. Ved KIT (Karlsruher Institut für Technologie) har de gjort en del materialflytanalyser (MFA) for litium. Ved å estimere økt etterspørsel etter litium, kan de skissere hvor lenge vi kan fortsette å bruke litium, med og uten resirkulering. De har antatt at litiumbruk til andre formål øker med 3 % i året, og at antallet helt eller delvis elektriske biler øker til 1,2 mrd i 2110. I dag resirkuleres litium ikke til en kvalitet som gjør at det kan brukes i batterier igjen, delvis fordi litium er nokså billig. Uansett er det viktig å huske at framskrivninger som baserer seg på antakelser knyttet til teknologi, innfasing av denne teknologien, og hva slags form denne tar 100 år fram i tid, så må dette ses på som et scenario, og ikke som veiledende. KIT selv bruker begrepet «car-like vehicles» om det vi kan vente oss i framtida.

9 Figur 8 Analyseselskapet Avicenne våger bare å spå batterietterspørsel fram til 2020. (2012) KIT vurderer en resirkuleringsgrad på 80 % som optimistisk. Utover de antakelsene som er nevnt over, vil en vurdering av hvor lenge litium kan vare måtte basere seg på svært sprikende estimat over hvor mye litium som er tilgjengelig i verden. Med en eksponentiell vekst i etterspørsel etter kjøretøy, er likevel det som er mest interessant at det ikke skiller så mange år mellom et scenario med resirkulering og et uten. Dette er fordi eksponentiell vekst vil føre til en enorm etterspørselsøkning. Bare forutsetningen om at «vanlig» bruk skal øke med 3 % vil gi en dobling av litiumetterspørselen hvert 25. år, slik at forbruket av litium blir nesten 20 ganger høyere om 100 år enn i dag. Figur 9: Hvor lenge varer litiumet? En økning mot 1,2 mrd ladbare biler i 2110, samt 3 % økning i generelt litiumforbruk. Forskjellen mellom ingen resirkulering, 40 % og 80 % resirkulering. (Figur: KIT) Som figur 9 viser, antyder scenarier fra KIT at vi ved en massiv elektrifisering av den globale bilparken kan gå tomme for litium rundt år 2100. Dette er selvfølgelig bare et scenario, og usikkerhetene knytter seg både til hvordan litiumbruken i li-ion-batterier utvikler seg, hva slags alternative batteriteknologier som gjør seg gjeldende eller tar over de neste 75 årene og ikke minst hvordan mobiliteten og bilsalget utvikler seg over så lang tid. Urbaniseringen vi har i vente, som det er liten usikkerhet rundt, gjør det også mulig å se for seg en nedgang i antallet biler per innbygger fremover. Batterier er i en rivende utvikling, og det er innen 2030 mulig å se for seg et 100 % elektrifisert nybilsalg i de tidlige elbilmarkedene. I tillegg er det realistisk å realisere 100 % elektrifisert / hybridisert kollektivtransport, både til lands og til vanns. Elektrisk varetransport er det segmentet der utviklingen har kommet kortest i forhold til behovet. Her er det fortsatt mange ubesvarte spørsmål knyttet til hvilke klimateknologier som vil bli gjeldende i hvor stor skala biodrivstoff, batterier, direkte elektrisk drift og hydrogenelektrisk drift er alle alternativer i utvikling.

Hvis transportsektoren globalt skal elektrifiseres med dagens li-ion-teknologi er tilgangen på råstoff begrenset. Tilgangen på bærekraftig biomasse til biodrivstoff er faktisk langt større enn tilgangen på litium til batterier (se eget fakta notat om biodrivstoff 2030). Samtidig er det en rekke lovende batteriteknologier under utvikling i USA, Australia, Europa og Nord-Amerika, alle med potensiale til fullstendig å forandre forutsetningene for hvilke deler av transportsektoren som kan elektrifiseres og til hvilken kostnad. Innen 2030 vil nye batteriteknologier etter all sannsynlighet være kommersialisert eller under kommersialisering. 10