En fair sammenligning af el- og brintbiler
Af Gæsteblogger Niels-Erik Jensen,
mandag 14. feb 2011 kl. 11:57
Fordele og ulemper ved el-biler og brintdrevne biler bør sammenlignes privatøkonomisk, samfundsøkonomisk og samfundsøkologisk på en måde der er realistisk, fair og forsvarlig.
Her er mit bidrag til en udredning, Ingeniøren kunne skabe:
Elbiler
Vi ser ofte data hvor det hævdes, en el-bil har f.eks. 400 km kørsel på en opladning. I det følgende refereres til TESLA sportsvognen med en el-motor forsynet med strøm fra batterier.
Motor størrelse: 250 HK (=184 kW)
Batteri kapacitet: 40 kWh
Max hastighed: 250 km/time (kan måske køre hurtigere men ved 250 km/time kører el-motoren 13.000 omdrejninger/minut)
Acceleration: 0 – 100 km/t på 4.0 sek.
Antal kilometer før genopladning er nødvendig: 400 km. ( iflg. forhandler)
Genopladnings tid – 1 x 230V lader: 16 timer
Genopladningstid – 3 x 400 V lader: 5 timer
Med et 40 kWh batteri der kan give næsten fuld spænding og strømstyrke efter cirka 400 kilometers kørsel med moderat fart, vil bilen med fuldt opladet batteri kunne køre Y kilometer med tophastighed på 250 km/t
Ligningen til at finde Y er: (40/184) * 250 km/t = Y > Y = 54,35 kilometer. I virkelighedens verden vil de 54,35 kilometers kørsel ikke blive opnået, da en hel del energi går tabt ved at opvarme batteriet og el-motoren samt energi til at drive forlygte pærerne (2 * 50 W), baglygte pærerne (2 * 5W) og nummerplade belysningen (5W). Batteri overvågnings computeren vil skride ind og forhindre overophedning og beskadigelse af batteriet, måske allerede efter 20 kilometers kørsel.
En 54,35 kilometer lang køretur med en hastighed på 250 km/t kan ikke lovligt finde sted i Danmark, men jeg vil tro man i Tyskland vil kunne finde et eller flere cirka 60 km lange motorvejs strækninger hvor der er fri hastighed.
Ved en test af TESLA sportsvognen nåede bil organisationen FDM en distance på 125 kilometer på en opladning. Kørselsmønstret var en blanding af moderat til lidt frisk kørsel, dog med hastigheder der aldrig var højere end det maksimalt tilladte.
Batteriet blev nu genopladet med en 1 x 230 Volt lader. Ladetiden blev på 16 timer. En lade tid på 5 timer kan opnås ved at lade med 3 x 400 V/50 Hz, men vil muligvis føre til en forkortelse af batteriets levetid.
I ovenstående beregning for højhastigheds køreturen blev det antaget at batteriet kunne levere 40 kWh med fuld spænding og strømstyrke, også til de sidste 20 kilometer af den 54 kilometer lange køretur.
Hvis batteriet har samme karakteristika som et bly batteri til en almindelig bil, må batteriet kun aflades maksimum 30 % af batteriets nominelle kapacitet. Det anvendelige antal kWh ville i så fald blive 12 kWh (=40*0,3) for TESLA el-bil batteriet. Højhastigheds køreturen ville så kun blive på 16,30 kilometer. Energi til at drive el-varmeblæser (minimum 1 kW for en lille sportsvogn med stoftag), el- opvarmede sæder og spejle samt el-varmerude og belysning er ikke medregnet for ovenstående 16,30 kilometer lange køretur.
Det kunne være interessant at få beregnet hvor langsomt TESLA sportsvognen skal køre for at den kan opnå den lovede rækkevidde på 400 kilometer mellem hver ladning. Der bør udregnes to rækkevidder i.e. en rækkevidde hvor alt el-udstyr undtaget kørelys er slukket og en anden rækkevidde hvor sportsvognen kører ved en ude temperatur på -10C, en temperatur inde i kabinen på +20C, lys og øvrigt el-udstyr er tændt.
En helt oplagt måde at beregne rækkevidden mellem opladninger på er at bruge EU’s norm for udregning af antal kilometer/liter benzin eller diesel. EU normen angiver et helt præcist køre mønster med xx antal bykørsels kilometer, yy antal kilometer kørt på landevej og zz antal kilometer kørt på motorvej. For bykørslen bør anslås et realistisk antal stop og varighed af stoppet. Forbrug til el-udstyr, kørelys etc. bør udregnes for kørsel i bilen med en ude temperatur på +9C som er gennemsnits temperaturen i Danmark.
Prisen for en kWh bør udregnes som gennemsnits prisen for en kWh til privatpersoner. Prisen skal indeholde alle de mange afgifter der er gældende for privat indkøbt kWh i Danmark. For benzin- og diesel bilerne skal brændstof prisen ligeledes angives som pris per liter, inklusive alle ekstra afgifter.
For el-regnskabet/økologien og CO2 udledningen bør prisen beregnes ud fra den procentvise andel af strøm fra kulfyret kraftvarmeværk, biobrændsels kraftvarmeværk og vindmøller.
I el-regnskabet for el-bilen skal også indgå energitab i lader (laderen bliver varm og spildvarmen må regnes for tabt), energi tab under opladning af batteriet (batteriet bliver varmt under opladningen og spildvarmen må regnes for tabt) og endelig energitab under afladning af batteriet (når der køres i sportsvognen). I nogle tilfælde kan en del af spildvarmen fra batteriopvarmningen anvendes til at reducere brugen af el-varmeblæseren. Endelig er der energitab i el-motoren (spild varmen må også her regnes for tabt). Spild varmen til opvarmning af el-ledningerne til laderen, el-ledninger fra laderen til batteriet samt endelig fra batteriet til el-motoren. Spild varmen til opvarmning af disse ledninger er antagelig mindre vigtig, men det bør i det mindste undersøges hvor megen energi der bliver spildt til at opvarme disse ledninger. Jeg gætter på at kun 70 % af den energi som tappes fra stikkontakten bliver brugt til fremdrift af sportsvognen.
Resten af den tilførte el-energi går tabt (privat økonomisk tabt) og forårsager en skadelig opvarmning af atmosfæren (samfunds økologisk set), men det bør som sagt beregnes og beregningen vises i Ingeniørens artikel.
I FDM’s metode til at beregne hvor stor udgiften er per kørt kilometer indgår bilvask, forsikring, vejafgift, dæk slid, afskrivning etc. etc. etc.
FDM’s metode bør bruges til at udregne prisen per kørt kilometer for el-bilen og for brint-bilen. FDM metoden anslår et årligt kørselsbehov på 20.000 kilometer og beregningen forudsætter tre års ejerskab. Udgiften til at udskifte batteriet skal også beregnes og medtages i udregningen
Ifølge TESLA manualen kan batteriet tåle 2.000 afladninger + opladninger.
FDM’s prøvetur resulterede i en rækkevidde på 125 kilometer per opladning. Der bør naturligvis testes rækkevidde ved et kørsels mønster som foreskrevet i EU normen.
For en foreløbig udregning antages en gennemsnits hastighed på 80 km/t og rækkevidden på de 125 km. Som testet af FDM. Dette medfører at køreturen maksimalt bliver på 1 time og 34 minutter mellem hver opladning.
1 time og 34 minutters kørsel plus 16 timers opladning viser at det umiddelbart ser ud til at det er muligt at køre 20.000 kilometer om året i sportsvognen.
Batteri udgiften baseres på de lovede maksimale antal opladninger. Dette medfører et totalt antal kørte kilometer på 250.000 (2.000 opladninger * 125 kilometer per opladning)
Et nyt batteri koster 80.000,00 inklusive montage + moms (anslået udgift.) Korrekt pris bør naturligvis indhentes)
For FDM’s metode skal prisen per kilometer for batteriudskiftning altså beregnes som følger:
80.000 kroner per batteri/250.000 kilometer = 0,32 krone per kilometer eller 32 øre per kilometer.
32 øre per kilometer svarer stort set til brændselsudgiften for en VW Passat Diesel i Greenline stationcar udførelse.
Passaten kører 26 km/liter (i henhold til EU normen) og gennemsnits prisen for en liter diesel er 9 kroner. Det medfører en brændsels udgift på cirka 34 øre per kilometer. Passaten er en meget stor bil i sammenligning med sportsvognen.
Det vil være mere fair at sammenligne med den nye VW POLO som i Greenline udførelse kører 30 kilometer per liter diesel (i henhold til EU normen). Det medfører en brændsels udgift på cirka 30 øre per kilometer. Poloen i diesel udgaven koster altså færre øre per kilometer, end el-bilen koster i batterivedligeholdelses udgift per kilometer. El-udgiften til opladning bliver cirka (2,50 kroner per kWh * 40 kWh/virknings grad 0,7)/125 = 1,14 krone per kilometer
Det vil faktisk sige at det vil være billigere at køre i VW POLO end i TESLA sportsvogn selvom du fik strømmen helt gratis. For batteri vedligeholdelses udgift samt el-opladnings udgift bliver det samlede beløb på 0,32 krone per kilometer + 1,14 krone per kilometer = 1,46 krone per km.
Sagt på en anden måde – Tesla bilen koster næsten 5 gange så meget per kilometer at køre i end dieselbilen af samme størrelse men med plads til 4 – 5 personer.
Brintbilen
En bil som den HONDA FX (FX så vidt jeg husker) udstillede på COP 15 er måske en meget bedre løsning end el-bil løsningen.
Fremstilling af brint (H2):
For nylig så jeg i ugebladet Ingeniøren at forskere på DTU havde udviklet en metode hvorved vand nu kan spaltes til H2 +O2 ved en energitilførsel på kun 60% af hvad konventionel teknologi kræver. En af forskerne fortalte at H2 nu ville kunne fremstilles ”stinkende billigt” (jeg vil gerne vide hvor billig ”stinkende billigt” er, gerne med lidt oplysning om el-prisen per kg H2 eller endnu bedre hvor mange kW vandspaltningsudstyret skal tilføres for at brændselscellen kan levere 1 kW effekt til motoren).
Brint bil eksemplet HONDA FX:
Brinten opbevares i en tank i bagage rummet på bilen. På grund af H2’s store energitæthed vil det være helt uproblematisk at opnå en rækkevidde på 1.000 kilometer med et EU norm kørselsmønster.
Tankning af brint til en 1.000 kilometer køretur tager mindre end fem minutter. Under kørsel ledes H2 fra tanken til en brændsels celle hvor H2 forbrændes til H2O. Ved ”forbrændingen” frigøres en stor energimængde som i FX’ens tilfælde er tilstrækkeligt til at forsyne den 96 kW stærke el-motor. Under drift drypper forbrændings produktet H2O (helt rent vand) ud af udstødningsrøret. Topfarten er for den store Honda FX med den 94 kW stærke motor sandsynligvis i nærheden af 200 km/t.
En anden måde at forbrænde H2 på er at lede H2 væsken til en fordamper hvor H2 væske bliver tilført varme så H2 kommer på dampform. Jeg tror brint biler eller busser allerede er i drift i Sverige Systemet kendes fra butangas drevne taxier i København for en 10 til 20 år siden. Taxa’en blev startet på benzin. Efter cirka 5 kilometers kørsel var kølevands temperaturen tilstrækkelig høj til at fordampe Butan væsken og bringe Butanen på dampform. Fordelen ved denne type H2 bil er at ganske almindelige motorer som de anvendes i f.eks. en benzin drevet Honda Accord kan konverteres til at køre som de gamle taxaer i.e. starte på benzin. Efter 3 til 5 kilometers kørsel, når kølevandet er tilstrækkeligt varmt, skiftes der over til H2 drift ved tryk på en knap. Udstødningsgassen vil være næsten rent vand.
Mikroskopisk små mængder of smøreolie vil antageligt være at finde sammen med vandet.
Fordelen ved at bruge en H2 fordamper (kendt teknologi) og standard motorer er at man kan komme i gang straks. H2 kan bringes frem til eksisterende tank stationer med en tankvogn på samme måde som diesel og benzin tankvogne bringer store mængder diesel og benzin til de underjordiske tanke. H2 tankvognene vil dog i sagens natur være en del forskellige fra diesel- og benzin tankvognene. H2 tankstanderne vil også være forskellige fra de almindeligt kendte diesel- og benzintankstandere. H2 tankstandere findes allerede i Sverige på eksperimentalstadiet. Det bør undersøges hvorledes H2 tankstander forsøget fungerer i praksis og forklares i Ingeniørens udredning. Brændselscelle teknologien bør først anvendes når anskaffelsesprisen, driftsvedligeholdsudgiften samt brændselscellens virkningsgrad har nået et niveau som er kommercielt acceptabelt.
Fordelen ved at forbrænde H2 i en brændselscelle hvorfra elektriciteten ledes til 4 elektromotorer (en ved hvert hjul) er at man helt kan undvære gearkasse og differentiale.
Løsningen med en motor ved hvert hjul medfører følgende fordele:
1. Ingen udgift til gearkasse og differentiale
2. Ingen friktions tab i gearkasse og differentiale
3. Permanent 4 hjuls træk uden friktions tab ved forhjuls- og baghjuls differentialerne
4. En computer vil kunne sikre at kun de hjul der trækker får tilført el-energi. Et hjul der spinder på et glat underlag får tilført formindsket eller ingen el-energi.
5. Ved kørsel gennem et sving med lille radius, vil en computer kunne lade de yderste hjul køre en længere strækning end de inderste hjul. Resultatet er mindre dæk slid, mindre energi forbrug samt muligheden for at køre hurtigere og sikrere gennem svinget.
H2 bilen kan evt. forsynes med et lille batteri som lades op under bremsning hvor el-motorerne virker som generatorer efter helt samme princip som i Toyta’s Prius model.
ØKONOMI OG ØKOLOGI:
Hvor meget el-energi der bruges til at fremstille et kilogram H2 efter DTU metoden bør undersøges og nævnes i Ingeniørens rapport. Endvidere skal undersøges hvor meget energi der spildes ved brændselscellen, ved el-kablerne og ved de 4 elektromotorer. Her bør også vises beregninger ved +9C (gennemsnits udendørs temperatur i Danmark) og +20C temperatur i kabinen. En beregning hvor ude temperaturen er -10C og kabine temperaturen er +20C bør også udføres og vises i ugebladet Ingeniøren. Noget af spildvarmen fra brændselscellen bør forsøges indregnet i opvarmningen af kabinen.
Udgifter per kilometer kørsel skal også her baseres på EU normen
Prisen for en kWh bør udregnes som en privat persons gennemsnits pris for en kWh. Prisen skal indeholde alle de mange afgifter som er gældende for privat indkøbt kWh i Danmark. Endelig skal prisen per kørt kilometer i H2 bilen udregnes på samme måde som for el-bilen. For benzin- og diesel bilerne skal brændstof prisen ligeledes angives som pris per liter, inklusive alle ekstra afgifter samt angivelse af antal kilometer/liter og endelig den totale udgift i kroner per kilometer (brug FDM’s metode).
Hvor langt kører FX bilen på et kilo brændstof når virkningsgraden for brændselscellen, tab i el-kabler, tab i de fire el-motorer samt tab til at drive el-varmeblæseren, kørelys og el-varme til sæderne beregnes baseret på en gennemsnits hastighed på 80 km/t (som ved TESLA beregningen) og 50 % udnyttelse af spild varmen fra brændselscellen (på helt samme måde som ved TESLA udregningen). Der bør også indgå vedligeholdelses udgift for brændselscellen.
Det bliver spændende at se om H2 bilen kan konkurrere med en TESLA sportsvogn eller en VW Passat i Greenline udførsel. Der bør sammenlignes med en VW Passat i Greenline udførsel fordi HONDA FX er en stor bil med en størrelse som Passaten. HONDA FX har en motor størrelse der matcher Passatens.
Niels-Erik Jensen (maskiningeniør årgang 1982)