INOM
EXAMENSARBETE
TEKNIK,
GRUNDNIVÅ, 15 HP
,
STOCKHOLM SVERIGE 2019
Elbil utan elnät
Utnyttjandet av omgivning och klimat for
etablering av elbil
VIKTOR DAHL
DANIEL SLIWINSKI
KTH
IN
DEGREE PROJECT
TECHNOLOGY,
FIRST CYCLE, 15 CREDITS
,
STOCKHOLM SWEDEN 2019
Battery electric vehicles off a
power grid
Usage of surroundings and climate for
establishing electric vehicles
VIKTOR DAHL
DANIEL SLIWINSKI
Sammanfattning
Abstract
Förord
Denna rapport är ett kandidatexamensarbete inom ämnet fordonsteknik och är gjord av två studenter vid Kungliga Tekniska Högskolan. Rapporten är en sammanställning av artiklar, rapporter och tidsskrif-ter inom ämnen elbil, elbilsbattidsskrif-teri, solkraft, vindkraft och väderdata. Arbetet avser att undersöka om elbilen kan etableras i ett ogästvänligt klimat som Afrikas öken men även ett sidospår där ett kallt klimat som sibiriska tundran diskuteras.
Vi vill tacka vår handledare och examinator professor Annika Stensson Trigell för specifikt hjälp kring val av projekt och dess syfte. Vi vill även tacka Miritt Zisser på KTH - Bibliotek som hjälpte oss med informationssökning inför litteraturstudien.
Innehåll
1 Problemformulering 1 1.1 Frågeställning . . . 1 2 Metod 1 2.1 Litteraturstudie . . . 1 2.2 Resultat: Litteraturstudie . . . 2 3 Bakgrund 3 3.1 Solenergi och potentiell utvinning . . . 33.2 Solceller . . . 5
3.3 Batteriteknik . . . 5
3.4 Temperaturpåverkan på batterier . . . 6
3.5 Vindkraft . . . 7
3.6 Ekonomi . . . 7
3.7 Vägkvalitét och fordonsval . . . 8
1
Problemformulering
I takt med elfordons utveckling och ökande popularitet runt om i världen så uppkommer ett antal problem. Ett av dessa problem är tillgången till energiförsörjning på platser utan ett tillförlitligt elnät. Till skillnad från en mer konventionell förbränningsmotor där bränsle går att transportera externt i dun-kar måste ett elfordon motsvarande transportera med sig batterier vilket kan anses problematiskt med tanke på moderna batteriers storlek. I denna rapport kommer ett antal scenarion formuleras där ett fordon ställs inför en utmaning som en nuvarande motsvarighet inte skulle klara av. Därefter kommer ett antal teoretiskt möjliga lösningar tas fram utifrån information om ny och kommande teknik som kan utnyttjas i dessa scenarion.
Exempel på ett scenario är elbilens försök att etableras i delar av Afrika där energiinfrastrukturen kan vara bristfällig, till exempel på landsbygden. Detta ställer särskilt stora krav på bilens räckvidd då frekventa laddstationer inte är lika självklart på landsbygden som i storstäder.
Ett annat exempel kan vara motsatsen till det tidigare exemplet. Elbilens försök att etableras i om-råden på den ryska tundran vilket försvåras i och med avsaknaden av laddningsstationer samt ett hårt klimat och stora avstånd. Detta ställer annorlunda krav på ett fordon jämfört med tidigare scenario där andra lösningar kommer behövas.
1.1
Frågeställning
• Omgivningens påverkan på elfordons prestanda.
- Går det att använda ett elfordon i området med avseende på klimat och infrastruktur? - Finns det utmaningar som uppkommer på grund av vart man vill etablera fordonet? • Anpassa elfordon för att nyttja omgivningen.
- Hur kan ett elfordon anpassas för att klara av eventuella utmaningar i området? - Kan man använda sig av befintlig teknologi eller behöver den utvecklas?
2
Metod
I denna rapport kommer metoden bestå av en litteraturstudie där information samlas in från flertalet källor för att få ett faktaunderlag till analysen. Litteraturstudien har för syfte att samla in all eventuellt relevant information gällande ämnen som solkraft, elfordon, väderdata, infrastruktur och batteriteknik. Dessa ämnen valdes då de är ämnen som på ett relevant sätt berör frågeställningarna.
2.1
Litteraturstudie
Litteraturstudien utfördes genom att använda flertalet sökdatabaser där sökord kombinerades för att hitta information inom det valda området. Scopus är en av sökdatabaserna som användes och uppbygg-naden av sökord skapades med hjälp av kommandon OR och AND. Kommandot OR används mellan två sökord för att databasen ska söka efter artiklar som innehåller något av söktermerna. Komandot AND används mellan två ord för att databasen ska leta efter artiklar som innehåller båda orden. Den andra databasen, till exempel Web of science, fungerar på ett liknande sätt som Scopus där söktermer kombi-neras med OR och AND för att begränsa antalet artiklar som ger en träff. I båda sökdatabaserna kan ytterligare filter appliceras för att begränsa antalet artiklar. Ett av de filter som i denna litteraturstudie valdes var att artiklar skrivna före 2015 filtrerades bort för att hålla informationen relevant för dagens tekniska nivå.
Urvalet av artiklarna skedde i två steg. Urval ett baserades endast på att rubrik och abstrakt hos artiklarna känndes relevanta. Dessa artiklar sparades med namn, källa och länk i en excelfil för enkel åtkomst vid ett senare tillfälle. Därefter kom urval två där de artiklar som valdes ut i urval ett ana-lyseras djupare genom att hitta relevanta stycken som läses i sin helhet och relevanta figurer sparades De relevanta styckena hittades genom att leta efter sökorden. De artiklar som fortfarande gav relevant
information användes sedan som underlag för resultat och diskussion. Sökord och artiklar från urval ett och två presenterades i tabellform för att sammanställa litteraturstudien.
Efter sammanställning presenteras all relevant information i löpande text för att läsaren ska kunna ta del av allt som anses vara viktigt. Därefter analyseras informationen och diskuteras kring frågeställ-ningarna och syftet.
2.2
Resultat: Litteraturstudie
Efter urval ett var det 32 artiklar och rapporter som antogs vara relevanta. Artiklarna och rappor-terna presenteras i figur 1.
Figur 1: Sökord, sökplats, ämne och namn på de artiklar och rapporter som var med i urval ett (1) I figur (1) presenteras artiklar och rapporter utifrån de sökord som används samt vilken sökplats/-sökmotor som användes för att hitta denna. Ämnet är vad artikeln behandlar och namnet är vad artikeln heter. Dessa analyseras sedan i sin helhet vilket resulterade i urval två:
Figur 2: De grönmarkerade artiklar i figur 2 används som källor till resultat och diskussion.
3
Bakgrund
3.1
Solenergi och potentiell utvinning
Från den solenergi som utstrålas av solen reflekteras 30% av energin vid atmosfären och de resterande 70% absorberas av jorden. Medeleffekten som träffar jordens yta är 342 W/m2 vilket efter avdrag för den reflekterade andelen blir 239 W/m2 som möjligt kan nyttjas [1]. Den årliga variationen i medeleffekt över jorden kan variera från 60 till 250 W/m2 [2] beroende på vart på jorden mätningen utförs.
Figur 3: Karta över variationen i medeleffekt för hela jorden [3]
De svartamarkerade områden ger sammanlagt en årlig medeleffekt på 18 TWe. Enbart dessa områden kan förse jorden med mer energi än det nuvarande behovet om en verkningsgrad på 8% för för solcel-ler antas [3]. Afrika är den soligaste kontinenten och teoretiskt kan kontinenten alstra cirka 660 PWh i fotovoltaisk energi [4]. Potentialen för solenergi är störst i norra-, östra- och södra Afrika, speciellt i länder som Marocko, Algeriet, Tunisien, Libyen och Egypten. I norra delen av Afrika kan den teoretiskt sammanlagda solenergin uppnå 141, 000 TWh/år vilket kan jämföras med den östra delen som kan uppnå 187, 000 TWh/år [5].
Figur 4: Karta och skala över solenergin i olika delar av Afrika. [5]
Ur figur (4) presenteras optimala områden att upprätta solcellsfarmer. DEt kan observeras att de är de potentiella områdena specifikt i norra-, östra- och södra-Afrika. Antalet soltimmar för dessa områden varierar över året. För nord-Afrika varierar medelsoltimmarna mellan 5 och 6, 9 per dygn [6]. I figur (5) presenteras data över medelantalet soltimmar i hela världen.
Figur 5: Medelantal soltimmar under ett dygn för hela världen [6]
3.2
Solceller
Solceller använder två lager av material, där silikon är det vanligaste, ett positivt lager och ett nega-tivitlager för att få elektroner att vandra mellan lagren. Det negativa lagret, N , träffas av solljuset och energin från fotonerna får elektroner att exciteras. Då det positivalagret, P , från början har positiv ladd-ning finns det ett elektriskt fält som förhindrar elektronen att vandra mellan lagren och därför kommer det att samlas elektroner hos N -sidan. Om solcellen kopplas via en elektrisk krets kommer elektronerna att vandra genom kretsen från N -sidan till P -sidan och elektrisk ström uppstår [7]. Detta illustreras också i figur (6).
Figur 6: Bild över regionerna P och N hos en solcell i en elektrisk krets [8]
Enligt en sammanställning bland solceller på marknaden som utfördes av Energysage [9] ligger verk-ningsgraden på panelerna mellan 15% till 20%. Detta är då endast panelens verkningsgrad och inga utomstånende faktorer tas i beaktning. En annan studie [10] utförd på fyra olika platser i Australien där solceller placerats på taken till hushållen visar på utomstående faktorer som drar ner verkningsgraden ytterliggare. Denna studie visade på en verklig verkningsgrad på närmare 7%. Prestandadata från fler-talet tillverkare visar att medeleffekten hos solpaneler är 265 W och detta är med en verkningsgrad på 15 − 20% [11].
3.3
Batteriteknik
Batterier i dagens elfordon består uteslutande av typen litium-jonbatteri. Det finns en mängd olika variationer på litium-jonbatterier och det vanligaste är att katodvalet varieras, LiNiMnCoO2är en vanligt
förekommande för just elfordon [12]. För denna typ av celler ligger kapaciteten på 150-220 Wh/kg. Totala batterikapaciteten varierar därför beroende på fordonets tilltänkta användningsområde samt prisklass. En sammanställning av batterikapacitetrna hos Sveriges tio vanligaste elbilar [13] visas i tabell (1).
Bilmodell Kapacitet [kWh] Räckvidd [km] Nissan Leaf 40-62 270-385 Renault ZOE 41 <300* Tesla Model S 75-100 450-610 Renault Kangoo ZE 33 120-200* BMW i3 42 270-306 Tesla Model 3 60-80 415-560 Tesla Model X 75-100 375-505 Volkswagen e-Golf 36 <231 Nissan e-nv200 40 200-301 Hyundai IONIQ BEV 28 <280*
Tabell 1: Batterikapacitet och räckvidd för Sveriges tio vanligaste elbilar [13].
Samtliga data är insamlad från tillverkarnas egna sidor och räckvidden är baserad på tester utförda enligt WLTP-standarden för samtliga modeller med undantag för Renault och Hyundai som saknar referens till en teststandard på sin sida. Dagens elbilar har enligt tillverkarna alltså en räckvidd på 200-600 km och en batterikapacitet på upp till 100 kWh. Det schweiziska företaget Innolith påstår sig ha skapat en prototyp till ett batteri som har en specifik kapacitet på 1000 Wh/kg [14] vilket är uppemot fyrdubbelt dagens batteriteknik. Detta skulle revolutionera fordonsindustrin då det i teorin skulle betyda att storleken på dagens batterier skulle kunna driva ett fordon fyra gånger sträckan alternativt minska batteriets storlek till en fjärdedel men behålla räckvidden.
3.4
Temperaturpåverkan på batterier
Den maximala lagringen av laddning i ett litium-jonbatteri kan påverkas av den omgivande tem-peraturen samt antalet cykler som batteriet genomgått [15]. Figur (7) presenterar hur den maximala laddningskapaciteten, Qm, påverkas av den omgivande temperaturen samt antalet cykler som batteriet
genomgått. Temperaturen varierar mellan 25◦C och 55◦C och antalet cykler är 250st.
Figur 7: Hur den maximala laddningskapaciteten, Qm, påverkas av antalet cykler [16].
Förlusten i livslängd som presenteras i figur (7) visar att den omgivande temperaturen har en på-verkan på livslängden. Förlusten av livslängd kan relateras till någon eller något av dessa, strukturella förändringar hos elektroden, sönderfall av elektrolyten, upplösning av aktiva material, fasändringar hos
elektroden och passiv lagerbildning över elektroderna [17], [18]. En följd av den fas- och strukturändring som påverkar elektroden är att batteriets laddningshastighet minskar. Laddningshastigheten indikerar hur många litium-joner som transporteras mellan elektroden och elektrolyten [19]. Figur (7) visar även att prestandan hos litium-jonbatteriet ökar när omgivningstemperaturen ökar, förutom när temperaturen blir 55◦C. Alltså kommer den maximala lagringen att öka, dock till kostnad av att livslängden minskar [15]. Medeltemperaturen i norra delarna av Afrika kan variera mellan 15◦C och 30◦C [20]. För att få en uppfattning om variationen, presenteras variationen för staden Marrakesh i Marocko i figur (8).
Figur 8: Maximala-, medel- och minimala temperaturer i staden Marrakesh, Marocko [20]
3.5
Vindkraft
I ett kallt och blåsigt klimat som Antarktis kan vindkraft vara en användbar källa för förnybar energi [21]. Ett vindkraftverk som är 3m långt kan i detta område generera 90W när vindhastigheten uppnår 18m/s. Solenergi är inte pålitligt i detta område då det är kalla och mörka vintrar som där solpaneler inte kan generera tillräckligt med energi. Vindkraft är därför en möjlig lösning, men det finns även ut-maningar som måste beaktas. Hårda vindar och det kalla klimatet är utut-maningar som vindkraftverket måste klara av. Finska ’Oy windside production Ltd’ har installerat vindkraftverk i Antarktis [21] som klarar av vindhastigheter upp till 60m/s. De kan också generera elektricitet vid vindhastigheter så låga som 3m/s. Verkningsgraden för ett vindkraftverk kan vara upp till 25%.
Vindens medelstyrka vid Davis stationen/Antarktis varierar mellan 10m/s och 14m/s [22]. Hur vin-den månadsvis varierar presenteras i figur (9).
Figur 9: Vindstyrkans variation månadsvis vid Davis stationen/Antarktis [22].
3.6
Ekonomi
3.6.1 Solpaneler
Den genomsnittliga nationella kostnaden för solpaneler i USA var 3.05$/watt och installationskostnad efter skattereduktion var 12810$ [23]. Solpaneler innehåller dyra metaller som silver, tellurium eller
um varav det inte finns tillräckligt med resurser att återvinna brukade solpaneler. Samtidigt tillkommer det en stor kostnad att ta hand om biprodukter till polysilikon. Kostnaden att processa och återvinna den giftiga biprodukten är ungefär 84500$ per ton [3].
3.6.2 Konvertera till elbil
Att konvertera en bensinbil till elbil innefattar stora kostnader varav själva chassi och kaross oftast är den största individuella kostnaden. En 2000 Toyota tacoma pickup kostar mellan 1000$ till 2000$ om den har trasig motor och är en populär bil att omvandla till eldriven. För att konvertera behövs det många komponenter och lättast är då att köpa ett fullständigt konverteringskit. Ett konverteringskit kostar om-kring 3000$ till 6000$ [24]. Den största kostnaden för att konvertera är dock batteriet. En battericell av modell CALB 100Ah kostar 155$ styck [25]. Denna modell av battericell ger 100Ah och har en nominell spänning på 3,2V. Detta ger en effekt på 3, 2V · 100Ah = 320W h och genom att seriekoppla kan effekten ökas till önskad styrka. Ett 30kWh batteri kräver en seriekoppling av 94 stycken battericeller. Detta ger en kostnad på 155$ · 94 = 14570$.
3.6.3 Medelinkomst i norra Afrika
Medelinkomsten i BNP/capita i länderna Libyen, Tunisien, Marocko, Egypten och Algeriet presen-teras i tabell (2).
Land Libyen Tunisien Marocko Egypten Algeriet BNP/capita 18300$ 11600$ 7720$ 10800$ 13700$
Tabell 2: Medelinkomsten i BNP/capita [26]
3.7
Vägkvalitét och fordonsval
Vägkvalitén hos flertalet Afrikanska länder är bristande och detta har inverkan på valet av fordon. Hos den norra delen av Afrika där Marocko, Algeriet , Tunisien, Libyen och Egypten ligger har vägkva-litén stor variation [19]. Värden på vägkvavägkva-litén presenteras i figur (10).
Figur 10: Vägkvalitén hos Afrikas länder [19]
Vägkvalitén rangordnas efter kvalitétsindex 1 till 7 där ett högre nummer indikerar en högre väg-kvalitét. Som det visas i figur (10) är kvalitén hos Tunisien, Algeriet och Egypten låg. Kvalitétsnivån indikerar att 1 är underutvecklade vägar och 7 är utvecklade och effektiva vägar enligt internationell standard. Afrika har också en låg densitet av vägar. Världsmedelvärdet är 944 kilometer väg per 1000 kvadrat kilometer land och Afrika har 204 kilometer väg per 1000 kvadrat kilometer land [27]. Detta be-tyder att framkomligheten inte är optimal för fordon som inte kan hantera terrängkörning. De vanligaste fordonsmodeller som används i Afrika är pick-ups och i många länder är fyrhjulsdrivna fordon de som används mest [28].
4
Resultatanalys
4.1
Klimat
För att underlätta etablerandet av en elbil i en miljö med opålitligt eller obefintligt elnät, kan omgiv-ningen utnyttjas. Klimat kan påverka positivt och bidra med bland annat energi men kan även påverka negativt i form av slitage. De två specifika områdena som rapporten berör är ett soligt klimat, Afrika, och ett kallt klimat, tundra. Fokus kommer ligga på det soliga klimatet då det befolkningsmässigt berör flera. Inom de olika områdena kommer det diskuteras kring potentiell energi, temperaturpåverkan, infra-struktur och hållbarhet.
4.1.1 Soligt klimat, Afrika
I ett soligt klimat finns det möjlighet att utnyttja solens energi då soltimmarna i medelantal är många och den utstrålade effekten är hög. I Afrika är den utstrålade solenergin från solen störst i norra-, östra-och södra delen, varav det endast i norra delen uppnår 141,000 TWh/år [5]. I ett sådant klimat med stor tillgång till solenergi kan solceller vara ett bra alternativ för att komplettera elnätet som existerar. Solcellerna är tänkta att användas på fordon.
Prestandadata hos solpanelerna antas vara 265 W/panel med en verkningsgraden på 15% och arean hos en panel är ca 2m2 [11]. En pickup kan antas ha en flakarea på 4m2 [27] vilket medför att två solpaneler får plats. Detta ger en effekt på 265W · 2 = 530W vilket under en timme genererar 530Wh, där 1Wh är 3600J. Ett batteri som har en kapacitet på 30kWh tar då ungefär 56, 6 timmar att ladda från tomt till fullt med hjälp av solenergi. Om samma beräkning utförs med den verkliga verkningsgraden på 7% [10] blir laddningstiden istället
265W h · 2 ·0.07
0.15 = 247, 33W h →
30kW h
247, 33W h = 121, 3 timmar. (1) Detta visar att det kan antas ineffektivt att använda solceller på flaket av en pickup då arean kan ses som relativt liten.
Medeleffekten av den utstrålade solenergin som träffar delar av Afrika är 250W h/m2[2]. En solpanel
med arean 2m2 träffas då av 2m2· 250W/m2 = 500W h och utav dessa 500W h kan en solpanel enligt
tillverkaren endast absorbera 265 Wh [11]. Antas en verkningsgrad på 7% blir energin 265 ·0.07
0.15 = 123, 67 Wh/panel. (2) Används det även här en pickup med plats för två solpaneler blir den totala energin 123, 67 Wh/panel · 2 paneler = 247, 34W h vilket är detsamma som räknade ut ovan. Alltså kommer medelladdningstiden att vara 121, 3 timmar om det endast används solceller på pickupflaket. Dock kan detta ses som orimliga tider som kan förbättras genom att använda ett hustak eller liknande för att öka den absorberande arean. Används en area på 30m2, motsvarande 15 solpaneler, blir tiden det tar att ladda istället
15 paneler · 123, 67 Wh/panel = 1855, 05W h → 30kW h
1855, 05W h = 16, 17 timmar. (3) Detta betyder att på drygt tre dygn, enligt figur 5, kan ett bilbatteri bli fulladdat med energi enbart från solen.
Med ett varmt och soligt klimat finns det även nackdelar som speciellt påverkar batteriet. Batteriets maximala laddning påverkas av höga temperaturer hos omgivningen [15]. Det framgår i figur (7) att ett litium-jonbatteri har ökad lagringsförmåga till en temperatur på 45◦C. Överstiger omgivningen den-na temperatur minskar lagringsförmågan samt att batteriets livslängd påverkas negativt. Figuren visar även att lagringsförmågan försämras när batteriet genomgått flertalet laddningscykler. Används samma beräkningsmetod som då laddningstiden beräknades men med hänsyn till en omgivningstemperatur på 35◦C [20] samt att antalet cykler tas i beaktning blir laddningstiderna istället,
30kW h · 1, 37
1, 27 = 32, 36kW h →
32, 36kW h
123, 7 W/panel · 15 paneler = 17, 44 timmar. (4) Här används ett 30kW h batteri som ska laddas upp med hjälp av 15 solpaneler med en total area om 30m2som absorberar 123, 7 W/panel. Detta gäller för ett batteri som körts endast en cykel. Om batteriet
istället körts i 250 cykler blir laddningstiden, 30kW h · 1, 37
1, 27· (1 − 0.0657) = 30, 24kW h →
30, 24kW h
123, 7 W/panel · 15 paneler = 16, 30 timmar. (5) Laddningstiderna för ett batteri, som använts i både en cykel och 250 cykler, är längre än det som beräk-nats tidigare. Detta tyder på en ökad kapacitet vid en omgivningstemperatur på 35◦C, varav batteriet som körts endast en cykel kan lagra mest energi.
Sammanfattningsvis kan de solpaneler som kan placeras på en bil ses som otillräckliga då den absorbe-rade energin kan antas liten jämfört med kapaciteten hos batteriet som används. För att öka effekten som
absorberas behövs därför en större yta än det tillgängliga på ett pickupflak. Att ladda ett batteri med en kapacitet på 30 kWh med enbart solpaneler på flaket tar 121, 3 timmar. Används istället ett hustak eller liknande med en area på 30m2minskar laddningstiden till 16, 17 timmar, vilket är en minskning på 86, 7%. Dock ökar detta arean med cirka 750% då solpaneler har en väldigt låg verkningsgrad. Används slutligen både solpaneler på flaket samt hustak, alltså en total area på 34m2 sjunker laddningstiden till
14, 27 timmar. Detta är en minskning med 1, 9 timmar jämfört med enbart taket men i utbyte mot en större ekonomisk kostnad samt större miljöpåverkan via tillverkningen av flera solpaneler. Dock fås en buffert om solpaneler används på bilens flak ifall batteriet blir urladdat där ingen annan laddnings möjlighet finns. Det blir en bedömningsfråga ifall det är ekonomiskt hållbart att använda solpaneler som buffert på bilens flak.
4.1.2 Alternativa lösningar
När det kommer till hållbara energialternativ finns det ett flertal olika lösningar utöver solenergi, bland annat vindkraft, vattenkraft och vågkraft. Problemet med dessa är att det kräver en större infrastrukturell investering än en montering av solpaneler på ett hustak.
4.1.3 Tundra
I en omgivning som tundran kan inte solpaneler användas på grund av avsaknad av soltimmar [21]. Ett alternativ till solpaneler är då vindkraftverk. Vindkraftverk är dock olämpligt, om inte omöjligt, att placeras på ett fordon då de är större och mer otympliga än solpaneler samt att det skulle verka negativt för fordonets aerodynamiska egenskaper. Dock kan vindkraftverk i tursamma förhållanden generera mer elektricitet än vad solpaneler kan i ett varmare klimat. Vindkraft genererar 90W vid vindhastigheten 18m/s [21] och dessa förhållanden är konstanta i 24 timmar blir den totala energin 90W · 24h = 2160W h. Jämförs detta med solpaneler som under ett dygn antas få 7 soltimmar [6] blir energiskillnaden 2160W h− 265W · 7h = 305W h. Alltså kommer vindkraft vid optimala förhållanden att generera mer energi än en solpanel.
I denna jämförelse användes även en verkningsgrad på 15% hos solpanelen och inte den verkliga som är 7% [11]. Ska det laddas ett 30kW h batteri med endast vindkraft blir laddningstiden
30kW h
2160W h = 13, 89 timmar. (6) Detta är dock vid optimala förhållanden och liknande solenergi kan även vindkraft vid vissa förhållanden inte generera någon energi. Värt att nämna är att om det var möjligt för solpaneler att producera energi alla timmar under ett dygn skulle den sammanlagda energi bli 265W · 24h = 6360W h vilket är nästan trefaldigt det vindkraftet enligt ekvation 6 producerar under ett dygn.
Då förhållanden inte är konstant kommer vindhastigheten att variera. Vindhastigheten varierar i medelvärde mellan 10m/s och 14m/s [22]. Befintlig effekt som vindkraften kan utnyttja beror på vind-hastigheten i kubik [21]. Då vindvind-hastigheten minskar kommer även massflödet av luft att ändras, vilket i sin tur påverkar densiteten. Effekten ett vindkraftverk kan generera är proportionellt mot densiteten och vid minskad vindhastighet kommer den genererade effekten alltså att minska. Detta betyder att ett vindkraftverk kommer generera mindre än 90W då optimala förhållanden inte råder.
Det ska även nämnas att vid det kalla klimat som kan råda i ett landskap som tundran kan ett elfordons batteri påverkas till det negativa. Redan vid drygt −6◦C tappar en modern elbil mellan 10% och 20% i räckvidd [29].
4.2
Ekonomiska begränsningar
Ekonomiskt finns det flera kostnader för att konvertera till elbil samt etablera solpaneler. Kostnaden att installera solpaneler är 3, 05$/W [23] och en solpanel kan absorbera 265 W/panel [11]. Kostnaden för en panel blir då 265 W/panel · 3, 05$/W = 808, 25$/panel. Om ett hustak på 30m2 ska täckas av
solpanler, där en panel kräver 2m2, kommer det kosta 808, 25$/panel ·30m2m22 = 12123, 75$. Jämförs denna
kostnad med BNP/capita som redovisas i tabell (2) observeras det att denna kostnad är ekonomiskt
svår i dessa länder. Utöver kostnaden för solpaneler finns även kostnaden för konverteringen från disel-/bensinbil till elbil samt elbilsbatteriet. Konverteringen inklusive köp av begangnad bil ger en kostnad mellan 4000$ till 8000$ [24]. Med ett elbilsbatteri på 30kW h höjs kostnaden med 14570$ [25].
Sammanlagt blir den totala kostnaden mellan 30693, 75$ och 34693, 75$. Utifrån BNP/capita i tabell (2) framgår att totala kostnaden för installation av solpaneler och konverteringen till elbil nästan är det dubbla eller mer av vad dessa länder har för inkomst. Alltså kommer majoriteten av individerna inte att ha tillgång till solpaneler och elbil. Det behövs ekonomiskt stöd utifrån, för att dessa länder ska ha möjlighet att upprätta solpaneler på nationell nivå samt att individen ska ha tillgång till elfordon.
4.3
Hållbarhet
Solenergi kan vid första anblick ses som ett hållbart energiförsörjningsalternativ men det finns flera dolda föroreningar som sällan nämns. Bland annat skapas vid produktionen av polykisel, ett ämne som används i solceller, en giftig biprodukt kiseltetraklorid som är svår och dyr att återvinna. Ett annat problem med solpaneler ur ett hållbarhetsperspektiv är svårigheterna att återvinna förbrukade paneler då de innehåller ädelmetaller som silver, tellur eller indium [3]. Båda dessa svårigheter behöver förbättras för att uppnå FNs tolfte globala hållbarhetsmål om “Hållbar konsumtion och produktion”.
För att på ett effektivt sätt ta vara på solens energi krävs utöver solpanelerna också något typ av batteri. Den vanligaste typen i fordon är så kallade litium-jonbatterier. Beroende på vilken specifik typ av batteri det handlar om så innehåller de lite olika typer av metaller och andra ämnen, ett av huvudäm-nena som ingår i denna typ av batterier är kobolt. Enligt en rapport från EU om viktiga råmaterial [30] så återvinns inget kobolt alls och det land som står för största andelen av världsproduktionen är Kongo med 64%. Enligt SGU [31] är det en industri präglad av kontroverser. Enligt en artikel i The Washington Post [32] har en mestadels oreglerad försörjningskedja samt storföretagens vilja att maximera vinster lett till att utvinningen av kobolt på vissa platser sker under nästan slavliknande förhållanden. Enligt en artikel från The Guardian [33] jobbar uppemot 35 000 barn i trånga handgrävda gruvor utan någon som helst säkerhet mot en betalning som motsvarar drygt 10-20 kr/dag. Dessa förhållanden går rakt emot FNs hållbarhetsmål om bland annat “Anständiga arbetsvillkor och ekonomisk tillväxt” (åttonde målet) samt målet om “Hållbar konsumtion och produktion” (tolfte målet). Dessa problem nämns sällan när det kommer till miljödebatter allmänt men är ett viktigt problem som måste åtgärdas om samhället ska kunna ställa om till fossilfritt.
Självklart bidrar solenergi via solpaneler och litium-jonbatterier med positiva effekter mot ett hållba-rare samhälle. FNs sjunde hållbarhetsmål om “Hållbar energi för alla” är ett mål som solenergi verkligen hjälper samhället att uppfylla då solenergi i sig är helt fossilfritt. Det gäller bara att produktionen av komponenterna som ingår i ett system för utvinning av solenergi också uppfyller de hållbarhetsmål som ställs. Dessutom tillåter solpaneler en viss tillgång till energi på platser som saknar ett utbrett elnät. Enligt en artikel av FNs Africa Renewal [34] skulle ett hushåll i södra Afrika med hjälp av solceller kunna generera tillräckligt med energi från solen för att belysa tre till sex rum samt en svartvit tv på kvällarna. Ett sådant system skulle kosta någonstans mellan 5 000 kr och 10 000 kr vilket enligt artikeln är långt mer än de flesta hushåll i behov av något sådant skulle klara av att betala. Men det skulle vara en billigare investering än att bygga ut ett elnät till de mest avlägsna byar. Så för att nå FNs sjunde hållbarhetsmål är solenergin en viktig pusselbit.
5
Slutsatser
Utifrån resultatanalysen framgår det att ett elfordon inte är lämpligt ur varken kostnads- eller han-teringssynpunkt att modifieras för att effektivt hantera ett soligt och varmt klimat. Dangens solpaneler är inte med rimlig kostnad tillräckligt effektiva för att med enbart två paneler kunna ladda ett elbils-batteri på 30kW h under rimlig tid. En möjlig lösning på detta problem är istället att använda hustak eller liknande och istället placera solpaneler där. Används ett hustak med en area på 30m2 minskar
laddningstiden med 86, 7%. Dock ökar arean som används till solpaneler med 750%. Om solpaneler i framtiden får ökad verkningsgrad kan solpaneler på fordonet fungera men med dagens teknik är det orimligt. Alternativa lösningar som vindkraft och vattenkraft är idag omöjliga att använda på ett enskilt
fordon och kräver större infrastruktuell investering än solkraft. Därför anses solkraft vara den enklaste lösningen i de relativt soliga områden i Australien samt Afrika.
I en kallare miljö som tundran är solenergin otillräcklig och opålitlig under stora delar av året, specifikt vinterhalvåret. Vindkraft är en förnybar resurs som kompletterar diselgeneratorer och förhoppningsvis inom en snar framtid kan ersätta dem. Att använda vindkraft på ett fordon är med dagens teknologi otympligt och ofunktionellt. Vindkraftverk är ofta placerade på höga höjder, alternativt är väldigt höga för att utnyttja det mesta av vindhastigheten. Ett fordon med ett vindkraftverk på flera meters höjd skulle påverka köregenskaper, öka färdmotståndet och förhindra framkomligheten. Det är inte hållbart att använda ett vindkraftverk på ett fordon men att använda vindkraftverk som laddningsstation för ett bilbatteri är en möjlighet. Även om vindkraft kan ses som en relativt pålitlig energiförsörjningskälla måste dessutom batteritekniken anpassas för ett kallare klimat. Dagens elbilsbatterier är inte gjorda för att verka i ett klimat under 0◦C utan tappar då en stor del av ursprungskapaciteten vilket i sin tur påverkar fordonets räckvidd.
Ekonomiskt sett är det en stor investering att konvertera transportsektorn i dessa länder från fossil till förnybar energi som dessa länder själva inte har möjlighet att utföra. För att möjliggöra en omvandling där elbilen kan drivas på enbart förnybar el behövs ett yttre ekonomiskt stöd. Ur hållbarhets perspektiv skulle en sådan investering positiv för miljön. Om även produktionen av litium-jonbatteri och solceller förbättras, alltså att de kan produceras utan att avge väsentlig mängd utsläpp eller giftigt avfall, kommer miljön gynnas ännu mer av användandet av solenergi och elfordon. Optimalt skulle vara om kostnaden på solpaneler och även elbilsbatterier minskade, detta skulle möjliggöra en explosionsartad ökning på marknaden för dessa produkter. Dock finns inte teknologin för ett sådant scenario just nu, men det är ett område som utvecklats mycket under de senaste åren och nya rön upptäcks ständigt.
Om enbart persontransport är syftet möjliggörs användandet av ett mindre fordon. Ett sådant fordon skulle möjligen kunna vara en motorcykel med ett flak för batteripaket. Räckvidden för ett sådant fordon skulle öka jämfört med en elbil då motorcykeln är lättare. Dock kommer inte laddningstider att påver-kas av ett lättare fordon och solpaneler på detta mindre fordon ger inte tillräckligt med energi för att batteriet ska kunna laddas effektivt. Det kommer alltså att behövas solpaneler på närliggande hus som nämnts ovan. Men är enbart räckvidd den egenskap man önskar är ett mindre fordon en alternativ lösning.
Referenser
[1] Michael Hart. Hubris: The Troubling Science, Economics, and Politics of Climate Change. Comple-at Desktops Publishing, 2015. isbn: 978-0-9949038-1-5. url: https://books.google.se/books? hl=en&lr=&id=B-OzCgAAQBAJ&oi=fnd&pg=PR7&ots=OyiOtkN1RW&sig=l2n5J92RRHEA9ppvDtumYFB0qnY& redir_esc=y#v=onepage&q&f=false.
[2] Muhamad Luqman m. fl. “Estimation of Solar Energy Potential from Rooftop of Punjab Govern-ment Servants Cooperative Housing Society Lahore Using GIS”. I: Smart Grid and Renewable Energy 6 (2015), s. 128–139. url: https : / / www . researchgate . net / profile / Sami _ Ullah _ Khan4 / publication / 277980830 _ Estimation _ of _ Solar _ Energy _ Potential _ from _ Rooftop _ of_Punjab_Government_Servants_Cooperative_Housing_Society_Lahore_Using_GIS/links/ 5667add608ae8905db8bc803/Estimation- Solar- Energy- Potential- from- Rooftop- of-Punjab-Government-Servants-Cooperative-Housing-Society-Lahore-Using-GIS.pdf. [3] Ehsanul Kabir m. fl. “Solar energy: Potential and future prospects”. I: Renewable and
Sustainab-le Energy Reviews 82 (2018), s. 894–900. issn: 1364-0321. doi: https : / / doi . org / 10 . 1016 / j . rser . 2017 . 09 . 094. url: http : / / www . sciencedirect . com / science / article / pii / S1364032117313485.
[4] Sebastian Hermann, Asami Miketa och Nicolas Fichaux. “Estimating the Renewable Energy Poten-tial in Africa”. I: IRENA-KTH working paper (2014). url: https://www.irena.org/DocumentDownloads/ Publications/IRENA_Africa_Resource_Potential_Aug2014.pdf.
[5] Zhenya Liu. “Chapter 4 - Supply and Demand of Global Energy and Electricity”. I: Global Energy Interconnection. Utg. av Zhenya Liu. Boston: Academic Press, 2015, s. 101–182. isbn: 978-0-12-804405-6. doi: https : / / doi . org / 10 . 1016 / B978 - 0 - 12 - 804405 - 6 . 00004 - X. url: http : //www.sciencedirect.com/science/article/pii/B978012804405600004X.
[6] David Criekemans. Geopolitics of the Renewable Energy Game and Its Potential Impact upon Global Power Relations. Utg. av Cham Springer. Vol. 61. Springer International Publishing AG, 2018, s. 37–73. isbn: 978-3-319-67855-9. doi: https://doi.org/10.1007/978-3-319-67855-9_2. url: https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-319-67855-9_2#citeas.
[7] Richard Komp, utg. How do solar panels work? 2015. url: https://www.youtube.com/watch?v= xKxrkht7CpY.
[8] Solar cell junction. url: https://www.electrical4u.com/pn-junction/.
[9] Vikram Aggarwal. “What are the most efficient solar panels on the market? Solar panel efficiency explained”. I: Energysage (2019). url: https://news.energysage.com/what- are- the- most-efficient-solar-panels-on-the-market/.
[10] Monzur Alam Imteaz och Amimul Ahsan. “Solar panels: Real efficiencies, potential productions and payback periods for major Australian cities”. I: Sustainable Energy Technologies and Assessments 25 (2018), s. 119–125. issn: 2213-1388. doi: https://doi.org/10.1016/j.seta.2017.12.007. url: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2213138816301291.
[11] “Solar Panel Output: How Much Electricity Do They Produce?” I: The Eco Expert (2019). url: https://www.theecoexperts.co.uk/solar-panels/electricity-power-output.
[12] “BU-205: Types of Lithium-ion”. I: (2019). url: https : / / batteryuniversity . com / learn / article/types_of_lithium_ion.
[13] “Topp 10 Laddbara Bilar”. I: (). url: https://infogram.com/nya-elbilsstatistik-bilmodeller-1g0gmjz5xn53p1q.
[14] “Innolith Energy Technology Brings 1000 km EV Within Range”. I: (2019). url: https : / / innolith.com/innolith-energy-technology-brings-1000km-ev-within-range/.
[15] Feng Leng och Cher Ming Tan Michael Pecht. “Effect of Temperature on the Aging rate of Li Ion Battery Operating”. I: Scientific Reports 5 (2015). doi: https://doi.org/10.1038/srep12967. url: https://www.nature.com/articles/srep12967.
[16] Chao-Yang Wang m. fl. “Lithium-ion battery structure that self-heats at low temperatures”. I: Nature 529 (2016), s. 515–518. doi: https://doi.org/10.1038/nature16502.
[17] Wei He m. fl. “Prognostics of lithium-ion batteries based on Dempster–Shafer theory and the Bay-esian Monte Carlo method”. I: Journal of Power Sources 196.23 (2011), s. 10314–10321. issn: 0378-7753. doi: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2011.08.040. url: http://www. sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775311015400.
[18] T. R. Jow m. fl. “Electrolytes, SEI and Charge Discharge Kinetics of Li-ion Batteries”. I: ECS Transactions (2010). url: http://ecst.ecsdl.org/content/25/36/3.full.pdf.
[19] Roads Quality in Africa. 2015. url: https://www.theglobaleconomy.com/rankings/roads_ quality/Africa/.
[20] Marrakesh Monthly Climate Averages. url: https://www.worldweatheronline.com/marrakesh-weather-averages/ma.aspx.
[21] “Wind power in Antarctica”. I: (2004). url: http://space.hgo.se/wpcvi/wp-content/uploads/ import/pdf/Kunskapsdatabas%5C%20teknik/forskningsresultat/kallt%5C%20klimat/Wind_ power_in_Antarctica.pdf.
[22] Wind and Weather statistics Davis / Antarctica. url: https://www.windfinder.com/windstatistics/ davis_antarctica.
[23] Sara Matasci. “How much do solar panels cost in the U.S. in 2019?” I: Energysage (2019). url: https://news.energysage.com/how- much- does- the- average- solar- panel- installation-cost-in-the-u-s/.
[24] “How Much Does It Cost to Build an Electric Car?” I: Car Direct (2012). url: https://www. carsdirect.com/green-cars/how-much-does-it-cost-to-build-an-electric-car.
[25] CALB 100 Ah CA Series Lithium Iron Phosphate Battery. url: https : / / www . evwest . com / catalog/product_info.php?cPath=4&products_id=208&osCsid=586vb6pafs550qd9gu2tm9o1l3.
[26] GDP Per Capita. url: https : / / www . gapminder . org / tools / ?from = world # %5C $ state % 5C $ marker % 5C $ select @ %5C $ country = dza & trailStartTime = 2018 ; & % 5C $ country = egy & trailStartTime = 2018 ; & % 5C $ country = lby & trailStartTime = 2018 ; & % 5C $ country = tun & trailStartTime = 2018 ; & % 5C $ country = mar & trailStartTime = 2018 ; ; & color % 5C $ which = income _ per _ person _ gdppercapita _ ppp _ inflation _ adjusted & use = indicator & scaleType = genericLog&spaceRef:null;;;&chart-type=bubbles.
[27] Lebo Matsheo. “10 Top Car Brands in Africa”. I: Africa (2015). url: https://www.africa.com/ top-car-brands-in-africa/.
[28] Ashurst. “Infrasturcture in Africa”. I: (2016). url: https://www.ashurst.com/en/news- and-insights/insights/road-infrastructure-in-africa/.
[29] “AAA Electric Vehicle Range Testing”. I: (2019). url: https://www.aaa.com/AAA/common/AAR/ files/AAA-Electric-Vehicle-Range-Testing-Report.pdf.
[30] Lidia Godlewska och Milan Grohol. “Study on the review of the list of Critical Raw Materials”. I: (2017). doi: 10.2873/398823. url: https://publications.europa.eu/en/publication-detail/-/publication/7345e3e8-98fc-11e7-b92d-01aa75ed71a1/language-en.
[31] Pontus Westrin. Kobolt – en konfliktfylld metall. 2018. url: https : / / www . sgu . se / om - sgu / nyheter/2018/januari/kobolt--en-konfliktfylld-metall/.
[32] Todd C. Frankel. “THE COBALT PIPELINE”. I: The Washington Post (2016). url: https : / / www . washingtonpost . com / graphics / business / batteries / congo cobalt mining for -lithium-ion-battery/??noredirect=on.
[33] Siddharth Kara. “Is your phone tainted by the misery of the 35,000 children in Congo’s mines?” I: The Guardian (2018). url: https://www.theguardian.com/global-development/2018/oct/ 12/phone-misery-children-congo-cobalt-mines-drc.
[34] Itai Madamombe. “Solar power: cheap energy source for Africa”. I: Africa Renewal (). url: https: / / www . un . org / africarenewal / magazine / october 2006 / solar power cheap energy -source-africa.
