Hyfsat effektivt, men onödigt tungt

Med lite försiktighet räcker 0,4 liter per mil långt med en hyfsat modern fullstor fyrsitsig kombibil. Frågan är bara varför man skall behöva släpa omkring med så mycket metallskrot när man bara vill åka till jobbet. För att inte tala om att dra runt med ett halvt ton batterier i en tvåtons elbil.

Det är ganska kul att jämföra teoretiska beräkningar med verklighet. Och eftersom jag ganska ofta kör samma långsträckor (ca 50 mil) är det relativt lätt att testa olika medelhastigheter och körsätt.
Senaste resan från Blekinge gjorde vi en lördag med gles trafik och torrt väglag. Vi valde bort större delen av motorvägen och körde vanlig landsväg i trettio av de femtio milen. Dessutom såg jag till att köra ”snällt” och lagligt enligt hastighetsmätaren (som visar ungefär åtta procent för högt).

Resultatet blev en snittförbrukning på ca 0,4 liter per mil. Om vi antar att motorn sörplar i sig ca 0,23 l per kWh skulle det betyda drygt 1,7 kWh per mil. Inte helt orimligt. Med en snittfart på 80 km/h borde 0,2 kWh gå till transmission, lampor och sånt, kanske drygt 0,5 kWh gå till rullmotstånd, 0,7 kWh gå till luftmotstånd och resten till förluster i backar och inbromsningar. Man brukar räkna med att rullmotstånd och luftmotstånd är lika stora vid 60 km/h, därefter dominerar luftmotståndet.

När jag rullade ut på motorvägen drog bränsleförbrukningen iväg en del. Så vitt jag kunde se handlade det om ca 0,46 liter per mil och det stämmer ju med en hastighetsökning från 80 till 110 km/h. Rullmotståndet ökar linjärt med hastigheten, så där blir ingen skillnad. Luftmotståndet ökar däremot kvadratiskt. Vi talar nu kanske om 1 kWh för luftmotståndet och 2 kWh totalt per mil. Motorns verkningsgrad är troligen ungefär densamma över det här arbetsområdet.

Ganska hyfsat
Den här typen av grova överslagsberäkningar innehåller naturligtvis massor av felmöjligheter, men så länge man har hygglig koll på de olika parametrarna brukar resultatet kunna bli ganska hyfsat. Det är också en stor fördel att veta svaret och på det sättet kunna justera modellen så att den passar. Lite som forskarna gör med sina klimatmodeller.

Det mest förvånande är kanske att förbränningsmotorer ändå är såpass effektiva. Elbilsförespråkarna brukar ju tala om bensin- och dieselmotorns usla verkningsgrad, men en siffra på 230 g per kWh motsvarar faktiskt 43 procents verkningsgrad för motorn (lägre för hela systemet). Det är visserligen en uppskattning, men högre siffror för specifik bränsleförbrukning ger alldeles för låga siffror för rullmotstånd och luftmotstånd. Och Skoda Octavia är varken tillräckligt lätt eller tillräckligt strömlinjeformad för det.

Om vi utgår från det totala energiinnehållet i bränslet (10 kWh per kg) hamnar vi på en förbrukning på strax under 4 kWh per mil i ena fallet och 4,6 kWh per mil i andra fallet (och ett koldioxidutsläpp mellan 120 och 140 gram per km) .

Elbilen är bäst i stadstrafik
Det finns gott om artiklar om skillnaden i verkningsgrad mellan elbilar och ”vanliga” bilar. Ett ofta upprepat ”faktum” är att elbilen har fyra gånger så hög verkningsgrad som bilen med bensinmotor, även om man inkluderar förlusterna vid laddningen. 62 procent respektive 16 procent brukar vara siffror som används.

Låt oss anta att en modern bensindriven bil kräver 1,4 kWh per mil vid en jämn körning runt 80 km/h, bara för att klara rullmotstånd, luftmotstånd och förluster i backar och ett fåtal inbromsningar. Transmissionsförluster, elsystem och sådant lägger vi i det här fallet till motorns förluster. En verkningsgrad på 16 procent skulle innebära 7,5 kWh per mil eller en bensinförbrukning på en knapp liter per mil vid snålkörning. Vid motorvägshastighet ökar luftmotståndet och förbrukningen med kanske 0,4 kWh och det skulle innebära ungefär 1,25 l bensin per mil. Så dåliga bilar var det längesen vi såg.

Siffrorna för min Skoda Octavia ger en total energiförbrukning på 4 kWh respektive 4,6 kWh per mil (0,4 respektive 0,46 l dieselolja) och en total verkningsgrad (inklusive transmission, elförbrukare etc) på drygt 35 procent. Det är inte strålande, men långt från 19 procent.

Om vi antar att elbilens verkningsgrad på 62 procent stämmer skulle vi hamna på 2,3 kWh per mil vid snålkörning av en bil i Octavians storleksklass. Det stämmer ganska bra med det resultat på 2,4 kWh per mil som Ny Teknik nådde förra året med en Nissan Leaf.

I Sverige produceras i stort sett all el med kärnkraft eller vattenkraft. Så länge vi behåller kärnkraftverken kan vi alltså räkna med i det närmaste nollutsläpp av koldioxid från elbilar. I övriga världen är situationen helt annorlunda. EU-genomsnittet för elproduktion ligger fortfarande runt 350 g koldioxid per kWh och länder som Tyskland och Danmark ligger högre än så. Polen och ett par till ligger över 700 g per kWh. En elbilsförbrukning på 2,3 kWh per mil resulterar då i koldioxidutsläpp mellan 80 och 160 gram, beroende på land.

Tunga batterier
Elbilen är klart effektivare än den ”vanliga” bilen, åtminstone om vi antar att elen vid laddstolpen har alstrats och överförts med 100 procents verkningsgrad. Däremot är dagens elbil betydligt sämre än vad som brukar hävdas i miljödebatten. I stadstrafik är elbilen mycket bättre än den vanliga bilen, men vid långkörning minskar skillnaden snabbt.

Problemet för elbilen kommer alltid när vi vill ha anständig räckvidd vid landsvägskörning. En Nissan Leaf har en batteripacke på 24 kWh och det räcker knappast över 10 mil vid landsvägskörning. Vid snabb motorvägskörning minskar räckvidden ytterligare.

Tesla har i sin senaste bilmodell stoppat in ett jättebatteri på 85 kWh. Det ökar räckvidden, men också vikten. Batteripaketet väger strax över ett halvt ton. Även om elmotorn är lättare än dieselmotorn gör batterivikt och förstärkt chassi att vi i Teslafallet hamnar på en tjänstevikt en bra bit över två ton (2 175 på en av varianterna). För en Nissan Leaf eller en Skoda Octavia med ett batteri på 85 kWh skulle förmodligen tjänstevikten hamna lite lägre, kanske runt 1,9 ton. Det är fortfarande väldigt mycket och skulle ge ungefär 35 procent högre rullmotstånd än motsvarande dieselbil. Alltså nästan 0,2 kWh extra ”vid hjulen”. Till det kommer förluster i transmission och motor, så extravikten är långt ifrån gratis.

En norsk Teslaägare testade nyligen (enligt Ny Teknik) att köra sin bil så energisnålt som möjligt på landsväg. Han lyckades nå hela 73 mil på 77,5 kWh och hade en snittförbrukning på mindre än 1,1 kWh per mil. Men då var snitthastigheten bara 39,5 km/h och så många elförbrukare som möjligt avstängda.

Testen visar, helt korrekt, att elbilens förbrukning varierar väldigt kraftigt med hastigheten (och antalet inkopplade elförbrukare). I så här låg hastighet är det rullmotståndet som står för huvuddelen av förbrukningen (ca 0,7 kWh per mil med normala däck och normalt däcktryck – lägre med extremt lättrullande däck), medan luftmotståndet blir minimalt (drygt 0,3 kWh per mil). Problemet är förstås att ingen vettig människa kör på det här sättet i verkligheten.

Testen visar också att den angivna räckvidden på 49 mil rimligen är svår att uppnå. Redan med en snitthastighet på blygsamma 80 km/h hamnar luftmotståndet någonstans runt 0,7 kWh per mil. Men då slipper i alla fall föraren att fästa en traktorskylt på kofångaren.

Köra till jobbet
För den som i stort sett bara använder bilen för att åka fram och tillbaka till jobbet är ändå elbilen ett intressant alternativ. För pendelsträckor på några få mil räcker till och med en elbil i klassen Nissan Leaf. Med en Tesla S går det utan vidare att pendla 20 mil till jobbet, åtminstone under förutsättning att man kan ”toppa upp” batteriet på jobbet.

Om man, som jag och många andra, ofta kör långa sträckor och dessutom ofta med släpvagn, är en konventionell elbil omöjlig som enda bil. Det gäller väl i praktiken många elbilsägare också. Elbilen köps som andrabil för pendling eller som ”miljösamvete”. Och inget fel i det.

Varför så tungt?
Men om det nu är så att elbilen används som pendelbil – varför måste den vara så förtvivlat stor och tung? För ett par årtionden sedan talades det en hel del om enkla och lätta pendelbilar, men på senare år har alla biltillverkare satsat fullt ut på att bygga stora och tunga elbilar med sportvagnsacceleration. Skojigt naturligtvis, men kanske ett nöje som bilägaren själv borde betala (inte jag som skattebetalare via subventioner på minst 40 000 kronor).

Det tråkiga är idag att biltillverkarna bygger elbilar som varken fungerar som enda bil eller går att sälja utan rejäla subventioner. Det är kanske lätt att inse logiken för biltillverkarna, men svårare att se logiken för politiker (subventioner) och bilägare.

En eller två säten
Låt oss alltså i stället backa tillbaka ett antal år och titta på principerna för de pendelbilsprojekt som diskuterades på den tiden.

Om elbilen bara skall användas för arbetsresor går det att optimera konstruktionen på ett helt annat sätt. Då behövs bara en sittplats och totalvikten blir densamma som tjänstevikten. Kaross, motor och förare kvalar sannolikt in under 300 kg och med ett batteri på 50 kg (8 kWh) stannar då totalvikten på 350 kg.

Hur långt räcker då ett så litet batteri? Tja, en fjärdedel av vikten resulterar i en fjärdedel av rullmotståndet. Halverad frontarea (minst) och förbättrad strömlinjeform minskar luftmotståndet med ungefär lika mycket. Förenklad transmission och minimerade förluster i övrigt gör att det inte blir så ruskigt mycket mer som påverkar förbrukningen.

Enkel baklängesmatematik resulterar i ca 350 Wh per mil och kanske 450 Wh per mil med hänsyn till verkningsgrad i batteri och motor. Räckvidden med 8 kWh blir mer än 17 mil och fordonet kräver inga speciella laddstationer för snabbladdning (4 timmar vid ett vanligt motorvärmaruttag).
Motsvarande elbil med två säten blir lite större, lite tyngre och får kanske 50 procent högre energiförbrukning. Men fortfarande räcker det relativt billiga batteriet 11 mil. 8 kWh är förresten ungefär den batteristorlek man brukar ha på vanliga hybridbilar.

Det fungerar redan
Jag har lite svårt att förstå varför så många i miljörörelsen skall ägna så mycket energi åt att ”banka huvudet i betongväggen” när det gäller elbilar. Tesla och andra stora och starka elbilar har på något sätt blivit norm för elbilar och bevis på att den ”normala” fullstora elbilen klarar allt som en vanliga bil gör.

Problemet är bara att det inte stämmer och kanske aldrig kommer att göra det. Däremot finns det massor av fordon som passar alldeles utomordentligt för hundraprocentig eldrift. Mopeder, pendelfordon, stadsbussar, små transportfordon, stadsbilar – listan kan göras lång. Sedan finns alltid hybridbilen, som visserligen är lite mera komplicerad, men fungerar både som elbil på kortsträckor och vanlig bil på långsträckor.

Strömlinjeformad cykel
En gång i tiden lekte många (jag också) med tanken på att konstruera en egen elbil. Det är inte så svårt i princip, men i stort sett hopplöst i praktiken.

Då är det faktiskt enklare att bygga ett eget flygplan. Det hade jag allvarliga planer på i mitten av åttiotalet, men det är en helt annan historia.

Det allra enklaste projektet är i stället den strömlinjeformade cykeln. På senare år har den blivit ännu intressantare, eftersom det numera går att komma över elcykeldetaljer. Den strömlinjeformade elcykeln har en rad intressanta fördelar.

Löjligt effektivt
Som alla säkert vet är cykeln ett överlägset effektivt sätt att transportera sig med, åtminstone i relativt låga hastigheter. En bra standardcykel med välpumpade däck har ett rullmotstånd under 10 Wh per mil och en racercykel ännu lite mindre (enligt Bicycling Science).

Det stora problemet med vanliga cyklar är luftmotståndet. Så fort man kommer över promenadhastighet är det luftmotståndet som sätter gränsen och motståndet växer med kvadraten på hastigheten. Beroende på cykel och position handlar det om strax under 200 W till knappt 400 W vid 40 km/h. Det innebär alltså 50 Wh till 100 Wh per mil. Vid 80 km/h blir det snarare 200 Wh per mil.

Orsaken till det relativt höga luftmotståndet är att cyklisten har en så dålig strömlinjeform. Frontarean är visserligen hyfsat liten, men den dåliga strömlinjeformen gör ändå att cykeln blir relativt ineffektiv vid högre hastigheter. Samma sak gäller förresten motorcykeln.

Men vi kan förbättra strömlinjeformen ordentligt genom att tillverka en täckt cykel med strömlinjeform. Det här har många prövat, med varierande resultat. De allra bästa exemplen har minskat luftmotståndet vid 40 km/h till 25 W, alltså ca 7 Wh per mil.

Då blir det fullt möjligt att tillverka en cykel som kan trampas bekvämt i över 40 km/h. Vi har dessutom ”råd” att låta cykeln väga betydligt mer än en vanlig cykel, under förutsättning att vi lägger till elmotor i uppförsbackar (max 25 km/h) och energiåtermatning i nedförsbackar.

På det här sättet kan vi tillverka ett fordon som är extremt lättrampat i uppförsbackar, snabbt på normal väg och som inte går livsfarligt fort i nedförsbackar. Alla cyklister hatar ju att bromsa bort energi i nedförsbackar. Att ladda batteriet inför nästa uppförsbacke är däremot OK.

Jodå, det går
En genomsnittlig energiförbrukning neråt 20 Wh per mil låter kanske omöjligt, men den årliga tävlingen Shell Eco Marathon visar att det är möjligt. Den bästa elbilen låg förra året under 10 Wh per mil (109 mil på 1 kWh) och den bästa bensinbilen hamnade på 3 ml per mil (331 mil på en liter). Det motsvarar 27 Wh per mil (9 kWh per liter bensin).

Att konstruera en strömlinjeformad cykel som är både bekväm (ventilerad) och säker har sina problem, men som intressant projekt är det inte dumt. Och visst skulle det vara kul att dra 50 mil på två dagar utan att behöva anstränga sig alltför mycket. För att inte tala om ett par hundra mil på ett par veckors semester.

Då känns det betydligt fånigare att tvingas dra runt på ett halvt ton batterier och ändå inte på långt när klara de femtio mil som jag är van vid att köra i en etapp.

8 Responses to “Hyfsat effektivt, men onödigt tungt”

  1. Mycket bra skrivet och sammanfattat

  2. Med en totalvikt på 350kg så blir (i stort sett) varje liten kökrock en potentiellt dödlig sådan. Det finns inget sätt att göra ett sådant lätt fordon krocksäkert. Man kan ur säkerhetssynpunkt lika gärna köra motorcykel i så fall.

    Nu tågpendlar jag till jobbet, men om inte, så nej tack till den sortens elbil.

  3. Tänkvärt, men de som har skulle ha störst behov av att läsa detta kommer nog att omgående stämpla Göte som elbilshatare. Elbilen har idag bland många kommit att bli föremål för en glödande idoldyrkan som många sektledare skulle avundas.
    Dock saknar jag två parametrar i uppskattningarna: Dels den förödande dåliga systemverkningsgraden i vårt energisystem, dels det faktum att allt värme som en förbränningsmotor ger upphov till ses som spillvärme. Moderna förbränningsmotorer är ju faktiskt så effektiva att de kan ha svårt att upprätthålla en anständig kupétemperatur när det är riktigt kallt. För att under samma förhållanden hålla värmen i elbilar är de flesta sådana utrustade med en dieselvärmare. Denna kan ha hur dålig verkningsgrad som helst, eftersom den aldrig räknas med i elbilens energikalkyl…

  4. ”Tänkvärt, men de som har skulle ha störst behov av att läsa detta kommer nog att omgående stämpla Göte som elbilshatare.”

    Det ser inte ut att vara textens syfte att göra nytta för miljövänner.

    Göte stämplar sig själv som miljövänshatare. Om en miljövän halkar in på texten kommer den snabbt att upptäcka att texten stämplar den som en idiot, och sluta lyssna. Götes texter skulle kunna fylla ett behov hos miljörörelsen, om de rensades på attacker mot miljörörelsen.

  5. Hej Jan
    Det är skillnad på miljörörelse och miljörörelse. Visst blir jag ibland irriterad på delar av miljörörelsen, men då handlar det oftast om sånt som jag ser som dogmatiska ståndpunkter som är negativa för miljön. Och sånt har jag lite svårt att se som miljövänligt.
    /göte

  6. Kanske det är läge för en extra kommentar om miljörörelsen. En stor del av den mest synliga miljörörelsen har sin bakgrund i antikärnkraftsrörelsen och bilmotståndet på sjuttio- och åttiotalet. Då är det inte så underligt om det viktigaste målet blir att avskaffa kärnkraften och det näst viktigaste att minimera bilismen.
    Jag, och förmodligen många med mig, håller inte med om det här. Kärnkraften är huvudorsaken till Sveriges extremt små utsläpp per person och bilismen har gett svenskarna en frihet som tidigare var otänkbar. Effektivare och renare bilar har dessutom lett till att privatbilismens utsläpp numera är ett relativt litet problem i Sverige. Läs gärna andra delen av ”Rälsen är väldigt dyr”:
    http://blog.elinor.se/2015/04/17/ralsen-ar-valdigt-dyr/

    Och ändå är jag miljövän.
    /göte

  7. Hej Göte,
    intressant , det här med förbrukningen ,det vill jag komma
    med en kommentar till.
    Det fordon som jag utnyttjar dagligen , förbrukar mer vid låga hastigheter men förbrukar mindre vid högre hastighet typ motorvägsfart el. t.o.m. några km till i fart.
    Så länge jag håller mig under 2000 varv på motorn.
    Vikten på detta fordon är 1995 kg. Och är försett med 7 växel-lägen.
    Så hade jag haft ytterligare ett växel-läge hade förbrukningen varit ännu lägre, hur mycket vill jag inte spekulera i, men av tester gjorda på nyare modeller verkar mitt antagande riktigt.
    Jag är dock inte nere på Dina nivåer i förbrukning. 2-2,5 dl mer per mil c:a.
    Mvh

  8. Hej,

    en mycket intressant, saklig och sakkunnig artikel om elbilar. Tack!
    Visste ni om ”www.snuger.com”?

    Texten på deras websidor tycks vara enbart på finska.
    Men här är några data om bilen:
    – totalvikt 1118 kg, egenvikt 549 kg
    – batterierna 185 kg, LiFePo
    – motorn 96V, 10kW
    – max. hastighet 100km/h
    – räckvidd 180-200 km (vilken hastighet?)
    – två sittplatser
    – priset ca. 23 000e