Oppladningen av verden; særlig av elbilene

Vi hadde ikke hatt mobiltelefoner og elbiler slik vi kjenner dem uten litium-ion-batteriene, og mange mener at nettopp de kan redde klimaet på Jorden. Men situasjonen er ikke så rosenrød som mange synes å tro.

Foto: Dreamstime
Livsstil

Denne artikkelen ble først publisert i Kapital nr. 20/19

Den 9. oktober annonserte Det svenske vitenskapsakademiet at Nobelprisen i kjemi var tildelt amerikaneren John B. Goodenough, briten M. Stanley Whittington og japaneren Akira Yoshino for deres bidrag til utviklingen av litium-ion-batteriet.

Den har de utvilsomt fortjent. Som Det svenske vitenskapsakademiet skriver: “Litium-ion-batteriene brukes over hele verden som energikilde i alt fra mobiltelefoner til bærbare PCer og elektriske kjøretøyer. De kan også lagre store mengder energi fra sol- og vindkraftverk, og dermed muliggjøre et samfunn uavhengig av fossile brensler.”

Med 16 tusen batterier under setet

Som alle andre batterier består enkeltcellene i et litium-ion-batteri av to elektroder (anode og katode) og en elektrisk ledende væske (elektrolytt). Ved oppladning beveger de positive litium-ionene seg fra katoden gjennom elektrolytten til anoden og lagres i grafitten der. Omvendt under utladning (drift).

Katoden består gjerne av litium-kobolt-oksid. Anoden består som oftest av grafitt som kan lagre ionene under oppladning og avgi dem under utladning. Elektrolytten må være dårlig elektrisk ledende, men kunne lede litium-ioner godt. Den inneholder som regel litium-salter oppløst i en passende væske.

Kommersielt produseres litium-ion-batterier i form av små, runde battericeller, ikke ulike de ikke oppladbare AA-batteriene vi kjenner fra lommelykter m.v. Men til forskjell fra de “vanlige” ikke-oppladbare batteriene har litium-ion-battericellene en typisk spenning på mellom 3,7 og 4 volt mot de ikke oppladbares 1,5 volt.

Figur 1 Øverst) : Med økendevolum og synkende råvarepriser (på tross av det sterkt økende forbruket) har prisene pålitium-ion-batterier sunket dramatisk. Etter kilde 1),2) og 8).Figur 2: Utviklingen går i retning av større batterier som medfører større utslipp av klimagasser målt i CO2-ekvivalenter (CO2e) pr. kjørt km, men utviklingen av etterbruk/ gjenbruk, resirkulering, bedre strømnett og større energitetthet reduserer utslippene mer. Etter kilde 2).

I en elbil kobles disse enkeltcellene sammen for å få den rette driftsspenning – typisk 350 volt, og energimengde – typisk mellom 20 og 100 kWh (kilowattimer).

Batteriet i en Tesla 3 med rekkevidde på ca. 450 km har fullt oppladet et energiinnhold på 75 kWh og består av hele 16.444 battericeller av type Panasonic 18650, alternativt av 4.416 battericeller av den nye Panasonic 2170. 18650-cellen har en høyde på 65 mm og en diameter på 18 mm, mens 2170-cellen er 70 mm høy med diameter 21 mm.

Hver av disse cellene er et resultat av nobelprisbelønnet forskning og flere tiår med praktisk utvikling, og stiller store krav til presisjonen i produksjonen. Og det er naturligvis meget utfordrende å montere batteripakker med så mange enkeltceller som hver og en skal oppfylle de strenge kvalitets- og sikkerhetskrav som stilles for biler.

Så det er ikke rart at litium-ion-batteriene har vært dyre. Men som figur 1 viser, er prisene på vei nedover i rasende fart i takt med det raskt økende salget av elbiler.

Ikke reduserte utslipp før etter 2030

Som Kapitals lesere vil være kjent med, er selve produksjonen av batterier for elbiler meget energikrevende, og medfører betydelige utslipp av klimagasser. For 6–8 år siden måtte derfor elbilene med datidens batterier kjøre 60–150.000 km før de fikk lavere utslipp over livsløpet enn biler med forbrenningsmotor (bensin eller diesel).

Utviklingen av energieffektiviteten i batteriene og forbedrede produksjonsmetoder har endret bildet betydelig. Ser man på vitenskapelige undersøkelser som er foretatt de siste 7 årene, er utslippet fra produksjonen redusert fra drøye 250 kg CO2-ekvivalenter pr. kWh til ca. 100 kg nå, og forventes å komme enda lav-ere etter som utslipp forbundet med strømproduksjonen i de landene der produksjonen foregår reduseres. Én undersøkelse mener at så lite som 60 CO2e pr. kWh er innenfor rekkevidde.

Men økningen i antall nye elbiler på verdens veier frem mot 2030 er så voldsom (mye raskere enn lineært) at det ikke blir noen forbedring i totalutslippene sammenlignet med biler basert på bensin eller diesel, rett og slett fordi miljøgevinsten ikke kommer før etter et par års drift ved 15.000 km kjøring årlig.

Undertegnede har med støtte i 1), 4) og 5) og den ønskede økning fra ca. 4 millioner elbiler på verdens veier i dag frem mot 145 millioner i 2030, regnet ut at det faktisk ikke vil være noen utslippsreduksjon fra elektrifiseringen av bilparken overhodet før etter 2030. Man “investerer” altså i en utslippsreduksjon som ikke vil komme før om ti år. Minst. Raskere klimagassreduksjon blir det derimot hvis veksttakten blir lavere enn ambisjonene.

Bloomberg (kilde 4) regner med at salget av elbiler og konvensjonelle biler vil være like stort i 2038, og omtrent sammenfallende med en stagnasjon i den samlede bilparken (en topp ved 1,65 milliarder personbiler, mens andre tror på 2 milliarder). Da er fremdeles antall elbiler på veien bare ca. 30% av totalen. Økningen fortsetter deretter, men med redusert gradient. Så i alle fall etter 2038 skulle det kunne bli utslippsmessig miljøgevinst.

Nobelpris: John B. Goodenough, M. Stanley Whittington og Akira Yoshimo står bak litium- ion-batteriet som mange mener kan bidra vesentlig til å stoppe den globale oppvarmingen. Det kommer ikke uten “skjulte kostnader”. Foto: NTB

Råvaremangel og ille utvinningsmiljø

Et annet problem som er grundig behandlet av forskerne (jfr. kildeboksen), er råvarebehovet for å produsere nok bilbatterier og elektromotorer. F.eks. hevder kilde 1) og 7) at behovet for kobolt og litium til elbilbatteriene i 2030 vil ligge flere ganger så høyt som nivået på verdensproduksjonen i dag.

IEA fremhever også at spesielt utvinningen av kobolt foregår under fullstendig uakseptable miljøforhold, med bl.a. utstrakt bruk av barnearbeidere –særlig i Kongo, som har 50% av verdensproduksjonen. Dette forholdet ble for øvrig også behandlet i en sjokkerende artikkel i Aftenposten 30. oktober.

Det er også politiske problemer. Til elektromotorene behøves flere sjeldne jordarter, der Kina behersker verdensproduksjonen. Kilde 6) mener bekymringen i denne forbindelse er sterkt overdrevet, men undertegnede er ikke beroliget.

Goodenough

Da er det godt å vite at den ene av årets nobelprisvinnere, John B. Goodenough, i en alder av 97 år (den eldste nobelprisvinner noensinne) forsker intenst på nye batterier som er bedre enn litium-ion-batteriet. Og han publiserte i 2017 sammen med en portugisisk forsker et konsept for et helt nytt batteri der elektrolytten er viskøst glass, og energitettheten helt overlegen alt vi hittil har visst om batterier.

Konseptet har møtt en viss skepsis blant andre forskere, men det er Goodenough vant til. Som for litium-batteriet gir han seg nok ikke før det er good enough. For å si det slik.↔