”Så ska elektrifieringen lyckas – induktiv laddning och vätgaspatroner”

2020-07-09 06:55  

Det här är en debattartikel. Åsikterna som framförs är skribentens egna.

DEBATT. En laddinfrastruktur med beröringsfri laddning, och ett system för lokal produktion av vätgas för elfordon. Det ser debattören Urban Kristiansson som vägen mot en elektrifiering av bilflottan.

Visionen är att alla bilar i Sverige drivs av el från förnyelsebar energi som mellanlagrats i batteri och/eller av vätgas. På väg mot visionen kommer bilindustrin att utveckla säker och användarvänlig hantering av småskalig produktion av vätgas som bidrar till ett fossilfritt samhälle.

Bilindustrin kännetecknas bland annat av att den är en av de största bidragande motorerna för teknik- och marknadsutveckling. I sin värdekedja utvecklar bilindustrin bred kompetens som spiller över till andra branscher.

Frihetssymbolen bilen vänder sig till den krävande konsumentmarknaden. Varje vuxen individ kan efter en kort utbildning använda denna komplexa produkt och i realtid interagera med medmänniskor i en tillika komplex trafikmiljö. Detta ställer extrema krav på användarvänliga och säkra lösningar.

Konkurrensen på konsumentmarknaden har gjort att bilindustrin är makalöst skickliga på att utveckla billiga och komplexa elektromekaniska system som understöds av mjukvara.

Mot denna bakgrund torde bilindustrin vara synnerligen lämpad som banerförare för utveckling av elens framtida komplementbränsle, vilken är småskalig, säker och miljövänlig vätgas.

Jag föreställer mig att gemene man kan producera vätgas med hjälp av förnyelsebar el, samt lagra vätgasen i små tuber som med ett enkelt handgrepp kan kopplas in i bilen. Jämför hur kolsyrepatronen kopplas in till kolsyremaskinen i köket.

Detta är en uppföljande debattartikel på tidigare debattartiklar i Ny Teknik under våren 2020.

Tidigare inlägg i debatten:

• ”Elhybrider är bäst för miljön – gör om bonussystemet”

• Replik. ”Fel – laddhybrider ska granskas hårdare”

• Replik. ”Dagens hybrider är de mest komplexa bilarna någonsin”

• ”Bonus malus måste förbättras – här är mitt förslag”

I mina tidigare debattartiklar beskriver jag miljöbelastningen med LCA-metoden för dagens kända teknik. Det vill säga miljöbelastning för produktion, brukande och utskrotning för ett antal bilvarianter som finns i produktion i dag.

Jag inteckningar ingen förhoppningsteknik som eventuellt kommer någon gång i framtiden. Därefter föreslår jag hur bonus-malus bör förändras för att på snabbast möjliga sätt minimera miljöbelastningen från samma bilvarianter. En viktig ingrediens är att massmarknadens kunder måste ha råd att köpa den elektrifierade bilen.

Jag pekar även på kritiska saker när de elektrifierade bilarna ska öka på massmarknaden. Särskilt trycker jag på att framtida trafiksäkerhet inte får försämras på grund av att dagens elektrifierings-race till del drivs av det mer prisokänsliga premiumsegmentets affärsmodell där kunderna är villiga att betala för extra ”hästkrafter”.

Själva den elektrifierade bilen är med andra ord ”a tick in the box”. Detta innebär att teknologin börjar tränga in på djupet hos biltillverkarnas ingenjörsarméer. Det innebär också att produktutvecklingen fokuseras mer och mer på att effektivisera rådande teknik för att den ska bli energieffektivare och billigare.

Inom något år är volymerna av elektrifierade fordon på den nivån att bilindustrins grova tumregel börjar gälla: komponentkostnaden sjunker uppemot 5 procent för varje dubblering av volymen. Detta bör man ha i åtanke när man spekulerar i framtida batterikostnader.

Varför stiger elektrifierade bilars volymer så sakta i Sverige? Svaret är som alla om och om igen upprepar: För högt pris, kort räckvidd, användarovänlig och otillräcklig laddinfrastruktur.

Alla dessa svagheter beror på brist på ett vettigt alternativ till fossilt bränsle. Staten sätter helt enkelt inte in relevanta styrmedel för omställningen.

En annan åtgärd som inte nämns så ofta, men som skulle öka takten i införandet av elektrifierade fordon är om funktioner som är tydligt energieffektiviserande samtidigt som de ger ökad kundtillfredsställelse gynnas i ett nytt bonus-malus.

Ett uppenbart område är bilens klimatsystem som drar mycket energi, vilket kräver batterikapacitet. Exempel är pre-heating/cooling, zonindelat klimat, värmepumpar, värme från kylning av batteri, avis-/imning av rutor och backspeglar. Ur miljösynpunkt vore det bra om denna typ av energieffektiviserande och kundvänliga funktioner uppmuntrades med någon form av incitament vid sidan av ett effektivare bonus-malus enligt mina tidigare debattartiklar.

Dock, huvudproblemet är att åstadkomma ett fossiloberoende drivmedel som bilkunderna kan acceptera. Först vill jag behandla pris, räckvidd och laddinfrastruktur för att avsluta med frågan om bränsle.

Det höga priset åtgärdas till stor del genom mina tidigare förslag till förbättring av bonus-malus. Räckviddsproblematiken löses enkelt med laddbara seriehybrider och parallellhybrider. Laddinfrastrukturen är svårare.

Statens nuvarande hållning till laddinfrastruktur är kontraproduktiv. Det finns i dag en djungel av kundovänliga och dyra lösningar. Hit hör dagens klumpiga och smutsiga laddutrustning för hemmabruk med tjocka kablar och kontaktdon som försöker efterlikna bensinpumparnas pistolhandtag.

Även de enstaka laddutrustningar för högeffektsladdning där dagens bensinstationer ersatts med bensinstationsliknande laddstationer uppkopplade mot elkraftsystemet är hämmande. Ingendera av dessa kommer att accepteras av den breda bilmarknaden. Båda lösningarna är dyra och kundovänliga.

Medan debatten rasar kring laddinfrastruktur iakttar bilindustrin vad staten vidtar för åtgärder. Så länge bilindustrin ser att staten vänder sig till den konservativa elkraftbranschen för laddinfrastruktur vet bilindustrin att inget kommer att hända. Bilindustrin kan tryggt göra uttalande i linje med ”när staten/elenergileverantörerna byggt ut godtagbar laddinfrastruktur kommer vi att accelerera utvecklingen av elektrifierade bilar”.

Bilindustrin ser tydligt att denna utbyggnad inte kommer att ske av den enkla anledningen att varken staten eller elenergileverantörerna har en aning om hur en sådan laddinfrastruktur ska utformas för att få kundacceptans. Däremot har bilindustrin nästintill exakt kunskap om hur en laddinfrastruktur bör utformas för kundacceptans.

Till dem som förespråkar bensinstationslika elstationer vill jag ställa frågorna:

· Vilken laddningstid kommer kunderna att acceptera?

· Hur påverkas batteriets livslängd av effekten för att uppnå laddningstiden?

· Är kunden beredd att betala för den reducerade livslängden hos batteriet?

Jag är övertygad om att svaren på dessa frågor kommer att få bilkunderna att backa av kostnadsskäl vilket innebär att introduktionen av elektrifierade bilar fördröjs.

Induktiv laddning

Jag menar att en laddinfrastruktur som marknaden kommer att acceptera på lång sikt är framförallt småskalig och den kännetecknas av:

· Automatisk beröringsfri induktiv laddning där kunden inte överhuvudtaget behöver tänka på att bilen laddas.

· Bilen är utrustad med små vätgaspatroner som med ett enkelt handgrepp byts vid behov när bilen behöver mer bränsle.

Automatisk beröringsfri induktiv laddning har bilindustrin kompetens för även om de inte visar det publikt. Några exempel är:

· GM använde den induktiva laddenheten (paddeln) i sin EV1 år 1997.

· Att positionera bilen över laddenheten på en parkeringsplats torde i jämförelse med självkörande bilar i vanlig trafik vara banalt.

· Om man vill docka laddelementen med en så kallad Z-mover för att höja verkningsgraden torde även detta vara ingenjörsmässigt banalt. Jämför cabriolets som sedan årtionden själva förmår att ta bort och packa ner tacket i bagageutrymmet.

Mot bakgrund av dessa perspektiv består egentligen barriären för laddning av el av att staten hittills inte triggar igång utvecklingen genom att komplettera bonus-malus med stöd för användarvänlig och acceptabel laddinfrastruktur.

Vätgas

Vätgas som bränsle är lite knepigare. Att köra förbränningsmotorer på vätgas kan bilindustrin redan i dag. Se BMW:s publika verksamhet med vätgasdrivna förbränningsmotorer under 1990-talet. För småskalig vätgas är utmaningen att utveckla säker och användarvänlig hantering för gemene man.

Mot bakgrund av detta bör staten stödja vätgas som bränsle för både förbränningsmotorer och bränsleceller. Särskilt är detta lämpligt i en seriehybrid. Eftersom en vätgasdriven bränslecell är så mycket enklare än en vätgasdriven förbränningsmotor kommer förr än senare utvecklingen att flippa över till bränslecellernas fördel.

Dagens vätgasstationer är säkra. Att bygga denna infrastruktur storskaligt är däremot både dyrt och tidsödande. För att snabba upp omställningen till fossilfria bränslen för bilar behövs ett komplement där småskalig vätgasproduktion framställs lokalt hos hugade.

Att hantera vätgas småskaligt på ett säkert sätt är i dag relativt oprövat. Men det är förvånansvärt många entreprenörer som experimenterar med vätgas utan att olyckor inträffar. Detta är en positiv indikator.

En inte alltför vågad bedömning är att bilindustrin utan större ansträngning kan utveckla säker hantering av småskalig vätgas som bränsle för bilar. Jag upplever att det finns en bred vilja att uppnå detta. Det skulle dessutom kunna bli en möjlighet för glesbefolkade områden att bli framtidens bilbränsleleverantör.

Vision: Vägen till en fossiloberoende bilflotta

Jag föreslår en transferering av bilflottan som beaktar bilindustrins och marknadens ledtider för att på snabbast möjliga sätt uppnå att bilflottan körs på förnyelsebar energi.

Som framgår av figuren kan i princip hela Sveriges bilflotta köras på fossilfritt bränsle tidigast år 2063. Detta är långt bort. En tröst är att nybilsförsäljningen har svängt över redan till år 2046.

Inledningsvis har jag lagt en ledtid om 5 år för att statens styrmedel ska komma på plats. Detta förutsätter att rätt taktiska beslut tas nu.

Besluten får inte upplevas som hotfulla för olika intressenter som ska medverka och genomföra strategin. För att detta ska vara möjligt måste extrema särintressen hållas korta. Min förhoppning är att mina förslag för ett nytt bonus malus-system, stöd för kundvänliga och energieffektiviserande tilläggsfunktioner samt stöd för LEV-avdrag (se figur) är acceptabelt för både kunder, biltillverkare och staten.

Ledtiden från 2046 till 2063 är medellivslängden för en svensk bil enligt Trafikanalys. Jag bedömer att Sveriges bilflotta kommer att vara fossilfri tidigare. Bränslecellerna har så många fördelar jämfört med förbränningsmotorer så att både kunder och biltillverkare kommer att föredra dessa. Effekten blir att marknaden mot fossiloberoende svänger snabbare.

Ledtiderna mellan etappmålen är realistiska (ge och ta några år). Jämför till exempel med Toyota Prius I som kom 1997 med den första elektrifierade växellådan som i dagligt tal felaktigt benämndes elhybrid. I dag, drygt 20 år senare, börjar elektrifierade bilar att så smått öka sina volymer. Om politikerna är lika långsamma på att reagera de kommande 20 åren som de har varit de gångna 20 åren kommer inte ens en gång förändringen till fossilfria bränslen ha uppnått till 2063.

Etappmålen möjliggör för bilföretagen att gradvis förvissa sig om att deras produkter både fungerar säkert på och accepteras av marknaden:

Etappmål 1. Staten har beslutat:

· Ett bonus-malus som gynnar säkra och miljövänliga bilar för både prestigesegmentet och massmarknaden.

· Stöd för ett antal användarvänliga och energieffektiviserande tilläggsfunktioner som gynnar miljövänliga bilar.

· Stöd för småskalig enkel och kundvänlig laddinfrastruktur som involverar både el och vätgas.

Etappmål 2. Bilindustrin har utvecklat lågvolymproduktion av:

· Bilar som i sin grundkonstruktion är optimerade för framtidens bränsle. I dag är lejonparten av elektrifierade bilar baserade på traditionella bilar som är optimerade för förbränningsmotorer. I sådana bilar har helt enkelt installerats en elektrifierad drivlina i stället. Det säger sig självt att inte dessa elektrifierade bilar är optimala, till exempel avseende krocksäkerhet och vikt.

· Det har blivit ekonomiskt fördelaktigt med småskalig kundvänlig laddning på t ex publika parkeringsplatser och garageuppfarter.

· Det börjar bli tydligt hur småskalig vätgasproduktion från förnyelsebar el bör utformas för säker hantering av gemene man.

Etappmål 3. Bilindustrin har utvecklat högvolymproduktion av:

· Användarvänliga, trafiksäkra och miljövänliga bilar som har accepterats av marknaden.

· Småskalig kundvänlig laddning på till exempel publika parkeringsplatser och garageuppfarter.

· Det finns en riklig mängd av småskaliga anläggningar för att producera el och vätgas i städer, förorter och glesbygd.

Lite kuriosa om hemmaladdning:

· Förenklat drar en elektrifierad bil 2 kWh el per mil. Antag att en medelkund kör cirka 5 mil om dagen. Per dygn förbrukar medelkunden följaktligen 10 kWh. Säg att kunden laddar under 5 timmar på natten. Effektmässigt krävs alltså 2 kW under laddning.

· Förenklat drar en värmepump i en villa 12 kW.

· Effektmässigt kräver elektrifierade bilen knappt 1/6 så hög effekt som värmepumpen.

Två slutsatser:

1. Införande av hemmaladdning för elektrifierade bilar är ur elsystemets perspektiv mycket enklare än den förändring samhället redan gjort i och med införandet av värmepumpar.

2. Väldigt många av dagens laddutrustningar är intill enfald överdimensionerade och dyra.

Lite kuriosa om vätgas som energibärare:

· Vätgas kan framställas såväl lokalt som regionalt både i form av stordrift och i småskalig drift. Bränsleceller är enkla att göra modulära.

· Vätgas kan lagras i ett tryckkärl av kol-/glasfiber som är väsentligt lättare än en traditionell trycktank.

· Förenklat, antag att 1 kg vätgas: kräver ca 50 kWh el för att framställas, och räcker till cirka 10 mils körsträcka för en standardbil.

Två slutsatser:

1. De flesta kunder torde vara noga med att köra bilen på el från nätet om kostnaden (allt övrigt lika) för att köra bilen på vätgas är 2,5 gånger dyrare.

2. Även det obeskattade fossila bränslet blir i sin tur väsentligt dyrare än att köra bilen på vätgas.

Tänk vad enkelt det kan bli. Bilen laddar sig själv på parkeringsplatsen. Back up-bränslet för att komma till rätta med räckviddsångesten blir som att bära hem några liter mjölk från affären och koppla dem mot bilen på samma sätt som kolsyretuben kopplas till läskmaskinen. Sedan kan man köra 10 mil utan avgasemissioner. (Jag är medveten om att tanken för 1 kg vätgas vid 700 bar till volym är större än några liter mjölk.)

Mot denna bakgrund torde det inte vara svårt att få igång uppfinningsrikedomen för hugade som har en liten plätt till övers för att generera bilbränsle och för all del även el till elkraftsystemet.

Slutligen, en kuriosa från Kalle Ankas värld. Under min barndom på 60-talet läste jag i en serietidning om Uppfinnar-Jockes bil. Han fick frågan hur han tankar bilen. Jocke öppnade bilens baklucka och kastade in ett piller något mindre än en ping pong-boll och svarade nu är bilen tankad. Med lite högre tryck i vätgaslagret kanske vi snart är där.

 

Urban Kristiansson, pensionerad civilingenjör och teknisk doktor, tidigare Volvo Cars, tidigare professor automotive engineering Chalmers

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Dagens viktigaste nyheter

Debatt