Elbilen var bäst i början

Jag skrev härom veckan om rymdraketer och flygande bilar och lovade en snabb fortsättning. Så låt oss nu ta steget till elbilen. Också den brukar klassas som framtidens fordon i alla science fiction-romaner. Då har den oftast någon form av atombatteri (fission eller fusion), men elektricitet är ”prylen”.

De första åren på 1900-talet såg också elbilen ut som en vinnare. Blyackumulatorn var i princip färdigutvecklad och kunde ge uppåt 30 Wh per kg. Elbilar hade funnits sedan slutet av 1830-talet och efter sekelskiftet kom flera fullt användbara modeller. Räckvidden uppgavs som mest till 13 mil, men i praktiken handlade det om drygt tre mil. Det gjorde elbilen till ett intressant alternativ till hästskjutsen och ett tillförlitligare alternativ till bilar med förbränningsmotorer.

Men redan i slutet av 1910-talet var elbilen helt utkonkurrerad, utom i ett fåtal specialtillämpningar. Bensin,  fotogen och dieselolja har ett termiskt energiinnehåll på ca 12 kWh per kg, alltså 400 gånger mer än blyackumulatorn. Även med det tidiga nittonhundratalets ineffektiva bensinmotorer handlade det om en faktor hundra längre räckvidd. Förbränningsmotorn utvecklades också snabbt till att bli förvånansvärt hållbar och tillförlitlig.

EV-1 med blybatterier
Det dröjde faktiskt bortemot hundra år innan elbilen gjorde sitt nästa allvarliga försök. År 1996 drog General Motors igång produktionen av EV-1, en ganska futuristisk tvåsitsig bil som i sin första version uppgavs ha en räckvidd på 15 mil och i sin slutversion skulle klara 25 mil. Bilen tillverkades totalt i ca 1 100 exemplar under tre år.

Nedläggningen av EV-1 gav upphov till massor av konspirationsteorier och filmen ”Who Killed the Electric Car” visades över hela världen. Många i miljörörelsen hade sett EV-1 som den definitiva framtidsbilen och debatten var tidvis mycket animerad.

Men det stora problemet med EV-1 var exakt detsamma som för elbilarna i början av 1900-talet. De två första modellerna använde till och med samma typ av blybatterier som elbilarna hundra år tidigare, bara lite fler. De två första batteripackarna hade en kapacitet på 16,3 kWh respektive 18,7 kWh. De vägde 533, respektive 595 kg, alltså fortfarande bara 30 Wh per kg.

I den tredje versionen av bilen bytte General Motors till NiMH-batterier och fick upp kapaciteten till 26,4 kWh, med en batterivikt på 500 kg. De nya batterierna klarade 50 Wh per kg, men gick inte att snabbladda.

EV-1 hade en ganska extrem strömlinjeform och avancerade material höll ned tjänstevikten till bara 1 300 och 1 400 kg beroende på modell (inklusive batterier). Ändå inser nog de flesta idag att de uppgivna räckviddssiffrorna var alltför optimistiska, även med helt färska batterier. I verklig körning är det svårt att klara sig på 1 kWh per mil, ens med en såpass extrem bil som EV-1. De amerikanska EPA-siffrorna (ganska optimistiska) för Tesla S är 2,4 kWh per mil och även om den bilen väger över två ton bör den inte rimligen vara så bedrövligt mycket sämre än EV-1.

Jämför med dieselbil
EV-1 hade säkert en marknad bland människor som ville demonstrera en miljöprofil. Problemet är bara att bilen mera visar hur effektiv en aerodynamisk tvåsitsig bil kan bli än vad som går att göra med el. Utan ”stoppklossen” i form av kort räckvidd trots mer än ett halvt ton batterier skulle EV-1 få verkligt imponerande prestanda.

För även om vi antar att EV-1 ”bara” hade en räckvidd på 12, respektive 18 mil har vi ändå en bil som nöjer sig med 1,5 kWh per mil. Om vi kastar ut 600 kg batterier och elmotor och ersätter det med 200 kg förbränningsmotor, transmission och fylld bensintank sänker vi tjänstevikten till under 1000 kg och bilen får en räckvidd på ca 170 utan att tanka.

Bränsleförbrukningen skulle utan problem hamna under 0,3 l per mil. General Motors tog förresten fram en prototyp av EV-1 i hybridversion, där elmotorn kombinerades med en liten (japansk) dieselmotor på 75 hp. Bränsleförbrukningen lär mycket riktigt ha legat klart under 3 dl per mil.

Volkswagen XL1
Faktum är att det existerar något som ser ut som en modern hybridversion av EV-1. Volkswagen visade sin första tvåsitsiga enlitersbil (1 liter bränsle per 100 km, eller 0,1 l per mil) redan 2002 och den senaste varianten, XL1, har ganska stora yttre likheter med ”gamla” EV-1. Kraftkällan är en dieselhybrid och bilen går att köra knappt fem mil på bara elmotor.

En bil med så här imponerande prestanda borde rimligen ha en jättemarknad, men verkligheten har visat att det inte är riktigt så enkelt. Volkswagen har så vitt jag vet producerat 250 XL1-bilar och sålt dem för en knapp miljon styck till utvalda kunder. Den volymmarknad som man verkade tro på en gång i tiden har inte materialiserats och XL1 ser mest ut att bli en ”proof of concept car”.

Över huvud taget verkar det svårt att uppamma särskilt mycket kundintresse för riktigt energieffektiva tvåsitsiga bilar. Tvåsitsiga bilar ”skall” antingen vara extremt motorstarka eller öppna eller helst bådadera. Jag har svårt att förstå det, men jag förstod inte SUV-trenden heller och årets bilmässa är fullständigt nedlusad med SUVar.

Tanken att en liten täckt, trång, tvåsitsig, strömlinjeformad bil skulle sälja bättre bara för att priset ökas och räckvidden minskas känns inte heller riktigt rimlig. Det märks också på dagens elbilar, där ingen ser ut att försöka återskapa EV-1 i modern version och med modernt batteri. I stället handlar det antingen om exklusiva, sportiga och extremt motorstarka elbilar som Tesla S, elektriska SUVar som Tesla X eller om fyrsitsiga stadsbilar med relativt kort räckvidd som Nissan Leaf.

Litiumjon
Dagens elbilar har kunnat dra nytta av litiumjonbatteriernas kraftigt förbättrade prestanda. De är visserligen mycket dyrare än blybatterier, men kan lagra nästan fem gånger mer energi per kilo jämfört med blybatterier och klarar både snabb uppladdning och urladdning. En EV-1, med en energiförbrukning på 1,5 kWh per mil borde faktiskt kunna klara en räckvidd på 55 mil med samma batteri som Tesla S (85 kWh/540 kg). Inte så illa

Faktum är att även Tesla talar om räckvidder i den här klassen, men de siffrorna är synnerligen teoretiska. Om vi utgår från EPAs trots allt ganska generösa förbrukningssiffror (2,4 kWh per mil för Tesla S) hamnar vi på 35 mil från 100 procent laddning ner till totalt urladdat batteri. Med fem mils ”reserv” (ett minimum) hamnar vi på 30 mil och utgår vi från 90 procents laddning (mera rimligt) hamnar vi på 27 mil. För min del skulle det innebära att jag kanske skulle klara en normal långresa med bara en laddning på vägen, men marginalerna skulle vara otäckt små.

Tanka 12 liter
Låt oss ett ögonblick översätta data till en vanlig dieselbil. En räckvidd på 35 mil motsvarar ungefär 17 liter bränsle och vi skulle i bästa fall kunna fylla på drygt 14 liter vid varje tankning (2,5 liter i reserv). Om vi har turen att hitta en bensinstation med ”Supercharger” kan vi i allra bästa fall tanka 11 liter på 40 minuter eller 14 liter på 75 minuter. Med mera normala ”snabbtankare” tar det minst dubbelt så lång tid.

Det här är rimligen elbilens verkliga akilleshäl. En vanlig dieselbil tankas med 50 liter bränsle på mindre än två minuter. För att nå samma räckvidd måste en elbil tankas fyra gånger och varje gång tar det allt från 75 minuter till en bra bit över två timmar.

En fördel med elbilen är förstås att den kan laddas hemma. Med en egen snabbladdare (11 kW) kan en Tesla laddas på mindre än åtta timmar. Den typen av laddkapacitet kan man förstås inte förvänta sig om man tänker hälsa på någon, så då lär man få nöja sig med ett vanligt motorvärmaruttag på 2 kW. Att fylla på ett nästan urladdat batteri tar då bortemot två dygn, så det gäller att göra långa besök.

Hårda begränsningar
Steget från blybatterier till litiumjonbatterier är stort och har gjort elbilar och elhybrider användbara i många sammanhang. Men att utvecklingen skulle fortsätta på samma sätt är långtifrån säkert. Utvecklingsarbetet handlar just nu snarare om att få ner priset per kWh än att få upp mängden energi per kilo.

Att öka batteristorleken ytterligare innebär dessutom att man på allvar börjar få problem med elnäten. Målet är ju rimligen att kunna ladda bilen på maximalt en halvtimma, men med ett tänkt batteri på 200 kWh innebär det en laddeffekt på 400 kW. En laddstation med en kapacitet i klass med en vanlig bensinstation (åtta bilar samtidigt) skulle behöva ha mer än 100 laddstationer med vardera 400 kW. Det blir hela 40 MW och det är sannerligen inget man ”snyter ur näsan”.

Vätgas
Flera av de japanska biltillverkarna ser just nu ut att lägga mer kraft på vätgasbilar än på rena elbilar. Det handlar då i princip om hybridbilar med bränsleceller i stället för förbränningsmotor. Över huvud taget ligger företag som Toyota väldigt långt framme när det gäller hybridbilar.
Fast det är klart – på många sätt har en vätgasbil större likhet med en vanlig elbil än med en hybridbil. Det handlar  om att ersätta det stora och tunga batteriet med en kombination av ett litet batteri och en bränslecell. Bränslecellen håller batteriet laddat, medan batteriet jämnar ut belastningen.

Vätgas har hög energitäthet per kilo (33 kWh per kg), men hopplöst låg energitäthet per liter (3 Wh). En vätgasinfrastruktur är därför tänkt att baseras på extremt komprimerad gas, någonstans runt 350 bar. Det ger fortfarande ganska dålig kapacitet per liter, men det går i alla fall att tanka hyfsat snabbt.

Att bygga upp en ny vätgasinfrastruktur är dyrt och det är synnerligen osäkert om det någonsin blir av.

Syntetisk diesel
Frågan är väl om inte alternativet till bensin och diesel blir – bensin och diesel. Syntetiska bränslen går att tillverka från det mesta och de kan göras betydligt renare och vänligare mot motorerna än originalen. De blir också koldioxidneutrala.

”Problemet” är ju att dagens förbränningsmotorer är så bra. Jag hör ofta argumentet att elbilen är tekniskt enklare och elegantare, men det finns väldigt litet som tyder på att en elbil skulle ha längre livslängd än en ”vanlig” bil. Tvärtom talar det mesta för att framför allt batteripaketen har mycket kortare livslängd än förbränningsmotorer.

Om vi sedan tittar på detaljer som sällsynta jordartsmetaller och återvinning är det ännu mindre sannolikt att elbilen vinner. Litiumjonbatterier är inte särskilt skojiga i återvinningssammanhang och magneterna i kompakta och starka elmotorer förutsätter stora mängder sällsynta jordartsmetaller. Att återvinna en vanlig förbränningsmotor är trivialt i sammanhanget. Sug ut smörjoljan och smält ner stålet.

Lägre förbrukning
Om elbilstrenden fortsätter att gå Teslas väg har jag faktiskt lite svårt att se miljönyttan. Med Tesla X ökar man tjänstevikten från knappt 2,2 ton (Tesla S) till nästan 2,5 ton. Det bör innebära ett rullmotstånd över 1 kWh per mil.

De  bägge Teslorna har mycket bra luftmotståndskoefficient (Cd) på 0,24. Men luftmotståndsfaktorn är bara halva sanningen. En hyfsat stor bil får också en relativt stor frontarea och den måste kalkyleras in. Tesla S uppges ha en CdA (Cd x frontarea) på drygt 0,56 och Tesla X skall ligga på drygt 0,62. Det är bra jämfört med andra SUVar, men inte bättre än en modern mellanklassbil. Min Skoda Octavia ligger ungefär i samma klass och min gamla Saab 900 låg runt 0,66.

Den som kör sin Tesla X i 120 km/h på motorvägen får nog räkna med att batterikapaciteten dräneras ganska snabbt. Ungefär 1 kWh per mil går åt för att klara den tunga bilens rullmotstånd och minst 1,5 kWh per mil för att klara luftmotståndet. Förluster i transmission och batterier plus övrig elförbrukning gör att man nog hamnar klart över 3 kWh per mil till och med utan AC. Ett fulladdat batteri skulle inte klara 30 mil innan det är dags för bärgning.

Om vi räknar om siffrorna för gamla EV-1 hamnar vi på halva rullmotståndet (halva tjänstevikten) och 60 procent av luftmotståndet (CdA 0,37). Vid 120 km/h borde det innebära 1,4 kWh per mil plus förluster. I praktiken lite drygt halva förbrukningen.

Går vi till Volkswagen XL1 minskar rullmotståndet ytterligare. Tjänstevikten är 795 kg, alltså mindre än tredjedel av Tesla X. CdA är 0,28, alltså hälften av Tesla S. Energiförbrukningen blir alltså ca 1 kWh per mil plus förluster vid 120 km/h.

Om vi till slut plockar in Volkswagens ursprungliga L1-konceptbil halveras förbrukningen en gång till. Tjänstevikten är under 400 kg och CdA är 0,15 (tvåsitsig tandem). Vi talar här om ner till 0,5 kWh per mil.

Den bilen skulle jag vilja ha.

11 Responses to “Elbilen var bäst i början”

  1. Briljant som vanligt Göte.
    Håller helt med om att Elon Musk och hans Teslaanhängare använder rena fantasisiffror angående bilarnas verkliga förbrukning osv.
    Bra även att lyfta fram verkliga siffror och fakta rund tankning (laddning), har sagt samma sak i flera år…

  2. Hej!

    BMW I3, med range extender? 15 mil (ungefär på batteriet), när batteriet börjar ta slut startar man bensinmotorn som laddar batteriet. Kan det vara nåt?

  3. Hej Göte,

    Den bästa och mest tydliga artikel i ämnet som jag någonsin läst.

  4. Kommer att tänka på Gillbergs metanolprojekt i Värmland.
    Alla försök att göra bränsle av skogen ignoreras genomgående.
    Tanken på all gruvdrift som blir följden av en uppdriven batteri/elmotor-produktion borde få miljörörelsen att sluta längta efter elbilar, för att inte tala om lastbilar med elektrisk drift på vägar med elöverföringssystem. Det finns järnväg!

  5. Väldigt mycket matnyttigt om man vill förstå alternativen och kanske också ana vart åt utveckling kommer gå i praktiken. Mycket bra, Göte!

  6. Räckviddsångesten är störst hos de som inte kör elbil. 🙂

    En Renault Zoe klarar på pappret enligt NEDC 240 km, med sitt 22kWh-batteripaket. Verklig räckvidd varierar mellan 120 till 180 km, främst beroende av utetemperatur. Laddningen i en 22kW snabbladdare sker från 0-100% på dryga timmen. I de flesta fallen laddar man från en högre nivå än noll, jämför med laddningen av mobiltelefonen.

    Räckvidden är mer än tillräcklig för ca 90-95% av de resor som de flesta personer gör i sin vardag. För långresor är ICE överlägsen, men då finns den att hyra om man inte redan har två bilar i familjen (vilket är allt vanligare). Alla har inte samma behov och det finns olika bilar för olika behov. Precis som för uppvärmingssystem, datorer, mat etc. Det ena utesluter inte det andra. Sedan är elbilen snällare mot innerstadsmiljöns luftkvalitet.

    Risken för att överbelasta elnätet om många ställer om till elbil är minimal. Götes jämförelse med bensinstationer haltar. De flesta laddar hemma. Ute på resa stödladdar man mestadels. Är det svårt att hinna ladda hos någon kompis som bjussar på el så åker man till närmaste ‘snabbladdare’ och tankar där. Precis som en ICE-bil får göra när det börjar bli tomt i tanken.

  7. Intressant artikel om de problem som finns med eldrift men jag tror att vätgasens möjligheter borde belysas mer. De stora biltillverkarna lägger ned stora resurser för att ta fram bränslecell bilar som drivs med vätgas och det borde även finnas ett stort intresse från myndigheter att etablera tankstationer trots stora kostnader. Dels kan gasen produceras på plats så ingen import behövs och dessutom så ger det stora skatteinkomster till staten. Tyvärr så verkar politikerna mer intresserade av att plöja ned pengar i snabbjärnvägar.

  8. Att göra bränsle av skogen kan snabbt göra även den nuvarande fordonsflottan snudd på koldioxidneutral. Detta borde stödjas!

  9. Tack Göte för en , som vanligt, intressant och initierad artikel. Inte ens med bättre batterier blir el-bilen intressant eftersom det krävs många och enorma laddstationer.
    En liten detalj: I det militära fick jag för länge sedan lära mig att räckvidd betyder det största avstånd en farkost (ett flygplan, en ubåt etc) kan nå innan det av bränslebrist måste återvända till basen. Räckvidd = aktionsradie. Räckvidd är halva maximala körsträckan minus marginal. (Gäller ej missiler och projektiler, som ju inte ska återvända)
    Jag tror att elbilproducenternas reklammakare avsiktligt förväxlar räckvidd med körsträcka.

  10. Man kan ju tycka att Tesla Model 2 har hög konsumtion 2.3 kWh/mil. Detta skall dock jämföras med en Ottomotor där man plöjer ner miljarder i utveckling varje år och har gjort detta under snart 100 år. När jag köpte min första bil så vägde den hälften av en Tesla med krävde mer än 11 kWh/mil. Bilen jag har idag har en modern motor men den kräver ändå 8 kWh/mil vid en hastighet på 120 km/h.
    Om man bränner upp denna bensin i ett kraftvärmeverk och gör om detta till el och sänder denna el för laddning av min Tesla så skall verkningsgraden på denna process vara under 30% för att otto-motorn skall vinna över en elbil.
    Om man använder solpannel och gör om detta till bränsle så blir otto-motorn en lösning med pinsamt dålig verkningsgrad. Dock tror jag att detta blir en framtida lösning i de fall då man inte orkar dra runt på ett batteri.

    mvh Kent

  11. En vettig dieselmotor bör ha en verkningsgrad uppåt 40 procent vid landsvägskörning. Motsvarande elbil kommer definitivt inte upp i 80 procents verkningsgrad om vi räknar från eluttaget och hamnar klart lägre än så om vi tar med ledningsförluster och laddförluster. Kraftvärmeverket bör alltså ha en verkningsgrad på minst 60 procent för att kunna konkurrera och vi är långt från de siffrorna.
    Men det förutsätter förstås att vi jämför äpplen med äpplen. Om vi jämför en bensindriven SUV med en Leaf blir skillnaden väldigt stor.
    Otto-motorn är inte så pjåkig.
    /göte