Leitin að hinu heilaga rafhlöðu-grali

Fyrir utan að gefa ekki frá sér mengandi útblástur er trúlega einn helsti kostur rafbílanna hversu miklu færri hreyfanlegir hlutir eru í bílunum. Það þýðir einfaldlega að það eru færri hreyfanlegir hlutir sem geta bilað. Þetta eru staðreyndir sem áhugafólk um gömlu bensínrokkana geta trauðlega mótmælt. Vert er þó að hafa í huga að rafbúnaður getur líka bilað og því flóknari sem hann er, því verra getur dæmið verið.

Rafmagnsbílar ganga fyrir rafmagni og ein leið til að geyma orku fyrir aksturinn er að útbúa þá með rafhlöðum. Enn sem komið er hefur mönnum ekki auðnast að koma á markað rafhlöðum sem eru bæði ódýrar í framleiðslu, hafa drægni sem jafnast á við hefðbundinn dísil-, bensín-, eða metanbíl og endast líftíma bílsins. Samt hefur leitin að þessu heilaga rafhlöðu-grali, sem leysa á öll heimsins vandamál í rafbílaheiminum, staðið yfir í áratugi.

Einföld skýringarmynd á muninum á hefðbundnum rafhlöðum með fljótandi raflausn og rafhlöðum með föstum raflausnarkjarna.

Vetnisknúnir rafbílar að komast á skrið

Ein vænleg leið til að leysa þetta gæti verið að nota vetni sem orkumiðil og breyta því um borð í ökutækinu í rafmagn í gegnum efnarafal til að knýja bílinn. Um allan heim hafa menn nú veðjað á þessa lausn til að knýja öll stærri ökutæki og þegar er hafin innviðauppbygging víða um lönd til að mæta slíkri tækniinnleiðingu.

Einnig stefna flestir framleiðendur stórra ökutækja á að nota vetnisefnarafala í stað rafhlaða í sín ökutæki í framtíðinni til að taka við af dísiltrukkunum. Jafnframt tala sömu framleiðendur um að dísiltrukkarnir og metan­gasknúin ökutæki muni áfram leika veigamikið hlutverk í þungaflutningum í verktakageiranum og í landbúnaði í það minnsta næstu 20–30 árin.

Vetnisbrunavélar

Einnig hafa verið kynntir bruna­hreyflar sem ganga fyrir vetni og eru ekki ósvipaðir bensín- eða dísilvélunum gömlu. Þessi tæki eru kölluð „Hydrogen internal combustion engine vehicle (HICEV)“. Þetta eru ekki bara hugmyndir heldur vélar sem eru sagðar virka vel og eru sparneytnar að auki. Toyota kynnti m.a. slíka vél í júní á þessu ári. Subaru, Mazda, Kawasaki og Yamaha kynntu meira að segja samstarf við Toyota um hönnun og smíði slíkra véla, sem greint var frá í Green Car Reports þann 29. nóvember síðastliðinn. Vetnið mun koma frá nýrri verksmiðju í Fukuoka í Japan.

Evrópski bílaframleiðandinn BMW hefur líka gert tilraunir með slíkar vélar og prófaði í bíl sínum Hydrogen 7 sem búinn var V-12 vetnisvél.

Dráttarvélaframleiðandinn JCB í Bretlandi kynnti aðra slíka vél á þessu ári sem sagt var frá í Bændablaðinu hér fyrir skömmu og er sögð tilbúin í framleiðslu.

Ein leið enn er talin möguleg við að nota vetni á brunahreyfla, en það er að breyta því einfaldlega í fljótandi ammoníak líkt og gert er í áburðarframleiðslu.

Svona hugsar kínverski rafhlöðurisinn CATL sér rafbíl með þeirra útgáfu af fastkjarna-rafhlöðu.

Tækifæri fyrir Ísland

Þessa vetnislausn sjá menn m.a. sem mikið tækifæri fyrir hreinorkulandið Ísland. Meira að segja Þjóðverjar, Bretar og fleiri Evrópuþjóðir vilja nú ólmar slást í vinahópinn um vetnisframleiðslu á Íslandi. Þrátt fyrir ágæti vetnislausnarinnar vilja menn samt enn reyna að halda í rafhlöðulausnina fyrir fólksbíla og önnur minni ökutæki og vélar og leitin að töfralausninni heldur áfram.

Ekki á mjög marga vetur setjandi

Nær allir framleiðendur rafmagnsbíla í dag viðurkenna að Liþíum-jóna (Lithium Ion) rafhlöðurnar eru ekki framtíðarlausn til að geyma raforku til nota í ökutækjum. Það er samt eina raunhæfa lausnin sem menn hafa tiltæka í augnablikinu.

Það sem hefur haldið lífinu í þeirri þróun og greitt drjúgan hluta af kostnaðinum er að tekist hefur að virkja ríki um víða veröld til að niðurgreiða tæknina í skjóli ótta sem búið er að byggja upp við hlýnun jarðar. Hugtakið „Global Warming“ virðist þannig vera orðið notað sem víðtækt skjól fyrir ákvarðanatöku stjórnmálamanna um lítt ígrundaðar fjárveitingar og ótrúlegar upphæðir úr almannasjóðum.

Franski bílaframleiðandinn Renault tekur fullan þátt í rafbílavæðingunni og hefur þar notast við liþíum-jóna rafgeyma. Renault hikar þó ekki við að segja allan sannleikann um kosti og líka galla þessara rafhlaða, jafnvel þó margir ofsatrúaðir rafbílasinnar telji slíkt jaðra við guðlast.

Er gralið falið í fastkjarnarafhlöðunum – amma?

Þrátt fyrir gríðarlegar fjárfestingar byggingu liþíum-jóna rafhlöðuverksmiðja hafa bifreiðafyrirtækin sum hver einnig eytt milljörðum dollara í þróun á „fastkjarna-rafhlöðum“ (Solid State batteries – SSBs) sem eiga að hafa margfalda orkugetu á við núverandi rafhlöður og það án eld- eða sprengihættu.

Í að minnsta kosti 30 ára hafa vísindamenn verið að gera tilraunir með fastkjarnarafhlöður (SSBs) sem innihalda fastan rafleiðnimassa í stað seigfljótandi eldfims hlaups eins og er í liþíum-jóna rafhlöðunum og er í raun stórvarasamt.

Annað slagið hafa poppað upp fréttir af því að einhverjir hafi fundið hina einu sönnu lausn en þær virðast hafa gufað upp í reyk jafnharðan. Þar hafa menn m.a. verið að ræða um natríumjónarafhlöður, liþíum-brennisteins-rafhlöður, liþíum-loft rafhlöður og fleira.

Þetta staðfestir í raun að sú gagnrýni sem höfð hefur verið uppi um lithium-jóna rafhlöðurnar hefur ekki verið út í loftið þó bílaframleiðendur hafi ekki séð neinn annan betri kost í stöðunni til þessa. Nú tala vísindamenn um að liþíum-jóna rafhlöðurnar muni mögulega ekki verða ríkjandi á markaðnum nema kannski út þennan áratug.

Framleiðsla liþíum-jóna rafhlaðanna hefur aukist jafnt og þétt

Á árinu 2010 var framleiðsla liþíum-jóna rafhlaða í heiminum sem svaraði 20 gígawattstundum (GWst). Árið 2016 hafði framleiðsla á slíkum rafhlöðum aukist mikið og komin í 28 GWst., þar af 16,4 GWst. í Kína sem er langöflugasta framleiðsluland slíkra rafhlaða. Á árinu sem nú er að líða hefur áætluð framleiðsla liþíum-jóna rafhlaða í heiminum verið áætluð sem svarar 200 til 600 GWst. sem sýnir að mikið er byggt á spám og fullyrðingum framleiðenda sem munu ekki allar standast. Svipuð spá frá ólíkum aðilum fyrir árið 2023 hljóðar upp á framleiðslu á slíkum rafhlöðum sem svara 400 til 1.000 GWst.

Endingartíminn er líka sagður mjög breytilegur þrátt fyrir að ætla mætti annað af fullyrðingum á vefmiðlum. Flestir bílaframleiðendur segjast ábyrgjast endingu í 5 til 8 ár. Síðan hafa menn verið að spá því að rafhlöður bíla muni í framtíðinni endast í mögulegan líftíma bílsins eða í 10 til 20 ár og jafnvel lengur. Þá eru menn yfirleitt ekki að taka um liþíum-jóna rafhlöður heldur en fastkjarna-rafhlöður. Reyndar hafa liþíum-jóna rafhlöðurnar verið að koma betur út en margir þorðu að láta sig dreyma um.

Margir þættir geta haft slæm áhrif á orkugetu og endingu

Bílaframleiðandinn Renault gaf það þó út í bæklingi í mars á þessu ári 2021 að margir þættir geti haft áhrif á endingu rafhlaða. Þar er ekki verið að reyna að fegra hlutina nokkurn skapaðan hlut eins og mörgum er gjarnt að gera. Þar benda þeir á að það sé ekki gott fyrir rafhlöðurnar að skilja rafmagnsbíl eftir fullhlaðinn og láta hann standa óhreyfðan um langan tíma. Sérstaklega ekki í miklum hita.

Tíð hleðsla styttir líftímann

Tíð hleðsla á rafgeymum hefur líka slæm áhrif og síðan segir Renault:

Til lengri tíma litið hefur það skaðleg áhrif að reyna að halda hleðslu rafhlöðunnar uppi með því að tengja bílinn við hleðslustaðinn fyrir stuttar hleðslur í einu. Við hverja hleðslu á hraðhleðslustöð framleiðir rafhlaðan hita og við það versna eiginleikar hennar smátt og smátt.

Þá segir Renault að ekki sé æskilegt að hlaða rafhlöður bílanna 100% í hvert skipti, frekar nær 80%. Sem sagt, uppgefin orkugeta og drægni bílaframleiðenda þarf að taka mið af þessu.

Útihitastig skiptir miklu máli

Renault bendir líka á að útihitastig skipti miklu máli fyrir rafhlöður rafmagnsbíla. Hátt hitastig getur stytt líftíma rafhlaðanna og lágt hitastig þýðir að þær halda illa rafmagni og drægni bílanna verður minna. Kuldi styttir aftur á móti ekki líftíma rafhlaðanna.

Þá kemur Renault að enn einum veigamiklum þætti sem fólk ætti að huga að. Endurnýjun rafhlaða í bíla er flókið mál. Það þarf sérfræðikunnáttu til að skipta um slíkar rafhlöður þar sem þær eru hættulegar í meðförum. Þá eru þær þungar og vegna innihalds þeirra eru þær hættulegar í flutningum og er meira að segja bannað að flytja slíkar rafhlöður í flugvélum. Flutningar í skipum og lestum krefjast sérstakra ráðstafana.

Vissulega er tæknilega mögulegt að endurnýja einingar í liþíum-jóna rafhlöðum, en það er mjög dýrt. Síðan er líka talað um endingu á bílarafhlöðum í mögulegum fjölda á endurhleðslum. Þá er gjarnan talað um möguleika á 400 til 1.200 endurhleðslum sem er reyndar ótrúlega lítið ef rafhlöðurnar eiga að endast í 8–10 ár. Allavega má notkunin þá ekki vera sérlega mikil. Ef rafhlaða endist t.d. ekki nema til að taka 400 hleðslur á líftíma sínum, þá mætti ekki hlaða bílinn nema fjórum sinnum á ári miðað við 8 ára endingu.

Murata Manufacturing komið í gang

Árið 2019 voru kynnt áform japanska rafeindaíhlutaframleiðandans Murata Manufacturing um að hefja fjöldaframleiðslu á nýjum fastkjarna-rafhlöðum. Átti framleiðslan að hefjast 2020 og í sumar var sagt nú á haustdögum. Framleiðslan verður á vegum Yasu deildar fyrirtækisins í héraðinu Shiga. Til að byrja með er stefnan tekin á smáraftæki og framleiðslan í smáum stíl, en auka á framleiðsluna þegar kemur fram í mars 2022.

Meðal annarra fyrirtækja sem unnið hafa að hönnun fastakjarnarafhlaða má nefna Bright Volt, Samsung, Albemarle, Iconic material, ProLogium, QuantumScape, Sion Power, The Coretec group, Evonik, Solid Power, Hyundai, Ampcera og kínverska risafyrirtækið CATL. Mörg fleiri hafa þegar eytt ómældum milljörðum dollara í slíka þróun og sagst vera alveg að koma með slíkar rafhlöður á markað án þess að nokkuð hafi gerst. Þar má nefna bílaframleiðandann Fisker sem sagðist vera alveg að koma með á markað súper fastkjarnarafhlöðu á árinu 2020 sem átti að komast yfir 1.100 kílómetra á einni hleðslu. Síðan var framleiðslu sagt seinka til 2022, en nú er búið að henda öllum slíkum áformum út um gluggann. Þá keypti fyrirtækið Dyson Satki 3 árið 2015 og eyddi milljörðum dollara í verkefnið sem var svo lagt á hilluna árið 2017.

Kínverski risinn CATL með ofurrafhlöðu?

Kínverski rafhlöðuframleiðandinn CATL kynnti á ráðstefnu í janúar á þessu ári áform um hönnun og framleiðslu á fastkjarnarafhlöðum með orkugetu sem samsvarar 350 til 400 wattstundum á hvert kg í þunga (350 Wh/kg). Sögðu forsvarsmenn fyrirtækisins að enn ætti eftir að leysa nokkur tæknileg lykilatriði, en rannsóknir hafi staðið yfir í 10 ár. Svonefndar LFP liþíum-jóna rafhlöður fyrirtækisins, sem Tesla hefur m.a. stært sig af, hafa mest náð orkugetu upp á 160 Wh/kg, samkvæmt upplýsingum af vef InsideEVs.

Vetnisknúni rafbíllinn Toyota MIRAI hefur sett mörg met á meðal nýorkubíla. Nú á árinu 2021 var honum t.d. ekið 845 mílur, eða 1.359,9 kílómetra, á einni tankfyllingu.

Snýst um að hreppa risavinninginn í rafhlöðulottóinu

Þrátt fyrir endalaus vonbrigði í hönnun fastkjarnarafhlaða undanfarna áratugi er samt ljóst að fjöldi fyrirtækja og vísindamanna vinnur að því baki brotnu að finna réttu lausnina á að framleiða fastkjarnarafhlöður sem duga bæði í smáraftæki og bíla. Til mikils er að vinna, því talið er að sá sem dettur niður á bestu lausnina, hreppi um leið risavinninginn í þessu lottói og verði í kjörstöðu í orkuskiptum ökutækja í heiminum.

Ástæðan fyrir vantrú framleiðendanna sjálfra á liþíum-jóna er einfaldlega hversu óstöðugar slíkar rafhlöður eru með tilliti til sjálfsíkveikju og takmarkaðir orkuþéttnieiginleikar og hleðsluhraði á slíkum rafhlöðum. Þær eru auk þess mjög orkufrekar og mengandi í framleiðslu og stuðla að því að hratt gengur á jarðefnin sem í þær eru notuð.

Tíðar og stuttar rafhleðslur og ekki síst með hraðhleðslu fer ekki vel með endingu rafgeyma samkvæmt upplýsingum Renault. Þá er heldur ekki æskilegt að fullhlaða geymana í 100% hleðslu.

Fullyrt um endurvinnslu á liþíum-jóna rafhlöðum án haldbærra gagna

Þá er viðurkennt að mjög erfitt er að endurvinna efnin sem notuð eru í slíkar rafhlöður. Nánast allt tal um endurvinnslu lýtur að því að lengja líftímann á notuðum rafhlöðum. Það er gert með því að endurnýta skástu hlutina úr notuðum rafhlöðum í einhvern tíma. Þetta er dýr og tímafrek aðgerð og afkastageta slíkra verksmiðja sem settar hafa verið á fót nemur aðeins nokkur þúsund rafhlöðum á ári.

Yfir 10 milljón bílarafhlöður á götunum

Seldir rafbílar í heiminum fóru yfir 10 milljóna markið á árinu 2020, þar af 4,5 milljónir í Kína. Evrópusambandið gerir ráð fyrir að í Evrópu einni verði komnir um 30 milljónir rafbíla í notkun árið 2030. Samkvæmt umfjöllun breska ríkisútvarpsins BBC fyrr á þessu ári er haft eftir endurvinnslusérfræðingnum dr. Paul Anderson við háskólann í Birmingham að erfitt væri að segja til um hversu mikið af liþíum-jóna rafhlöðum færi í endurvinnslu. Sumir segðu 5%, en víða um heim væri það hlutfall mun lægra.
Rafhlöður þessara bíla eru sagðar hafa allt að 8 til 10 ára endingartíma. Sumir bílarnir lenda í tjóni og enda því ferilinn mun fyrr. Þessum bílum verður ekki hent í pressu til endurvinnslu eins og gert er við bíla í dag, m.a. vegna mengunar- og sprengihættu.

Endurvinnsla meira í orði en á borði

Til að líta betur út í endurvinnsluumræðunni hafa fyrirtæki á borð við Daimler (framleiðandi Mercede-Benz) sagst vera með áform um byggingu á risastórri 11,3 hektara endurvinnsluverksmiðju í Kuppenheim. Slegið hefur verið úr og í með þessa verksmiðju sem upphaflega átti að vera í Gaggenau og síðan fullyrt að verksmiðjan í Kuppenheim myndi skapa 1.000 störf á svæðinu. Nýverið var hins vegar frétt í blaðinu Badisches Tagblatt, sem hefur eftir forsvarsmönnum í innsta hring Daimler að til að byrja með verði störfin aðeins 50 og fari í 150 þegar vinnslan verði komin í gang.

Samt er almenningur hvattur til að kaupa bifreiðar með slíkum rafhlöðum á þeim forsendum að það sé einfaldlega besta þekkta lausnin sem í boði er.

Rafhlöðuvandi plagar framleiðendur

Í sumar bárust fréttir af vandræðum General Motors vegna rafbílsins Chevrolet Bolt sem var talinn skila stórsigri fyrirtækisins á Tesla í fjöldaframleiðslu rafbíla. Vermirinn var þó skammgóður því fljótlega fóru að berast fréttir af skammhlaupi og bruna í þessum bílum þegar verið var að hlaða þá, en rafhlöðurnar eru frá LG í Kóreu. Í síðasta mánuði var tilkynnt um innköllun á öllum 141.000 Chevrolet Bolt bílum sem búið var að selja víða um heim síðan 2017. Talið er meiri háttar mál að gera við bílana, enda vegur rafhlaðan í einum slíkum bíl 960 pund, eða um 435 kg. Ekki er talið á bætandi að slíkar rafhlöður hlaðist upp í vörugeymslum þar sem sáralítið af þeim er enn farið að setja í endurvinnslu. Sem dæmi þá eru einungis endurheimt um 2–3% af bílarafhlöðum á ári sem síðan eru send á óskilgreinda staði erlendis til endurvinnslu. Endurvinnsluhlutfallið í Evrópu og Bandaríkjunum er sagt vera innan við 5%.

Alþjóðaorkustofnunin IEA áætlar að 148 til 230 milljónir rafbíla með svipaðar rafhlöður verði komnir á göturnar í lok þessa áratugar. Talið er að 500.000 tonn af notuðum bílarafhlöðum muni liggja fyrir í Kína eingöngu fyrir árslok 2030. Þá verði komin á markað litþíum-jóna rafhlöður sem samsvarar 2 milljónum tonna um heim allan. Sumar tölur eru mun hærri.

Evrópusambandið hyggst setja reglugerð um 70% söfnun á notuðum bílarafhlöðum og 95% endurnýtingu á innihaldsefnunum kóbalti, kopar, blýi og nikkel og 70% endurnýtingu á liþíum úr bílarafhlöðum fyrir 2030. Það byggist á að endurvinnslan verði það ódýr að hægt verði að endurselja efnin á markaði. Þær reglur munu þó enn aðeins vera á hugmyndastigi samkvæmt frétt The Guardian.