Intro: Potential att effektivisera energianvändning i elfordon

Energieffektivitet är alltid aktuellt. Oavsett om produkten är en TV, ett kylskåp eller en bil så finns drivkrafter att effektivisera användningen av energi. Energieffektivitet är dock ingen helig graal för att minska den totala energiåtgången. En del forskare menar att vinsterna från ökad energieffektivitet överkompenseras i ökad användning, vilket är den så kallade “Jevons paradox”. Denna effekt finns pedagogiskt förklarad i en artikel i The New Yorker [1].

För förbränningsmotorbilar har en del framsteg i energieffektivitet gjorts under det senaste decenniet. Främst genom förbättringar av drivlinan där den största potentialen finns. Exempel är t ex hybridisering, down-sizing, förbättrad turboteknik och mer optimerade växellådor. Resultatet av detta arbetet verkar dock avta. Takten av energieffektivisering i nybilsflottan (mätt i CO2 per km) har varit konstant de senaste tre åren, vilket Olle Hådell skrev om i omEV för några veckor sedan (länk).

För laddfordon är mycket annorlunda. Drivlinan är t ex mer energieffektiv jämfört med förbränningsmotorns (ICE) och utmaningarna är andra. Dessa utmaningar inkluderar bland annat hög fordonsvikt, större betydelse av t ex aerodynamik och klimatisering. Effekten av förbättrad energieffektivitet i elfordon har också en direkt koppling till räckvidd, vilket som bekant är en viktig faktor för kundacceptans. Frågan om energieffektivitet i elfordon är mångfacetterad och mycket utveckling är på gång. Vi på omEV kommer därför att göra en serie med nyhetsbrev som berör energieffektivitet av elfordon från olika aspekter (massa, elmaskin, aerodynamik, klimatisering och batteri). Dagens nyhetsbrev är en introduktion till ämnet.

De viktigaste energitjuvarna är olika mellan förbränningsmotorbilar och elbilar

I en BEV är verkningsgraden beroende på körcykel mellan 60 – 73 % i drivlinan, jämfört med 12 – 30 % för en förbränningsmotor [2]. Det bör dock nämnas att det är teoretiskt möjligt att nå högre än 30 % för ICE (t ex ska Toyotas 2.0l motor klara 40 % [3]). Den lägre energieffektiviteten i ICE jämfört med BEV beror i huvudsak på större värmeförluster vid förbränning av bränsle jämfört med omvandlingen av elektrisk energi till mekanisk energi i en elmaskin.

Den högre effektiviteten i eldrivlina gör att den relativa betydelsen ökar av väglaster (aerodynamik, vikt och friktion) och hjälplaster (klimatisering och infotainment) [4]. Som exempel uppskattar DOE att luftmotstånd utgör 8 – 12 % av energianvändning i en genomsnittlig bensinbil, motsvarande siffra för en BEV är ca 39 % [2]. Liknande mönster kan ses för rullmotstånd vilket utgör 4 – 7 % av energianvändning i bensinbilen och ca 25 % för BEV [2]. Klimatisering har också en relativt större inverkan på energianvändning i BEV, mindre spillvärme från drivlinan kräver uppvärmning  (element eller värmepump) vid lägre utomhustemperaturer.

En annan tydlig skillnad mellan ICE och BEV är energianvändning vid olika farter [4]. ICE är mest effektiv i landsvägsfart (≈ 80 km/t), BEV når generellt högst effektivitet i stadsmiljö (≈ 40 km/t) [3].

Förbättringspotential för energianvädning i BEV

I en dragning från Klaas Burgdorf (Volvo Cars) på FFI 2019 presenterades ett antal områden där förbättringspotential (energieffektivitet) finns för BEV, se nedan. [4] I vår serie om mer energieffektiva BEV:s kommer vi skriva mer om några av dessa områden.

Effektivare klimatisering

–   Energiutbyte genom fönster / imbildning
–   Partiell klimatisering (optimera luftomsättning /  antal passagerare)
–   Nyttja förlustenergi för uppvärmning samt batterikylning
–   Optimera reglering av klimat

Lägre elanvändning för annat än framdrivning
–   Värmepump
–   Effektivare processer och elsystem
–   Förluster under laddning

Sänkt fartmotstånd
–   Storlek
–   Luftmotstånd
–   Vikt

Drivlineverkningsgrad
–   SiC (kiselkarbid, reds. anm)
–   800V-system

Egen kommentar

Elbilen är klart mer energieffektiv (tank-to-wheel)  jämfört med ICE. Det saknas dock inte incitament för att förbättra energieffektivitet ytterligare. Bättre energieffektivitet kan ge stora vinster i form av minskade batteristorlek (och kostnad) med bibehållen räckvidd. Det finns energieffektiviseringspotentialen för BEV i att minska effekten av väglaster och hjälplaster, men även i drivlinan. Klaas Burgdorfs lista ovan ger en bra överblick på vilka områden där potential för energieffektivitet finns för BEV. I vårt användningstema kommer vi gå igenom några av dessa aspekter och vad som är på gång i både industrin och i akademin. En viktig fråga att hålla i bakhuvudet är om förbättrad energieffektivitet i elfordon verkligen kommer att minska den totala elanvändningen, dvs kommer användningen öka i en snabbare takt än energieffektiviseringen?

Referenser

[1] The New Yorker. 2010. länk

[2] DOE. Fueleconomy.gov. länk

[3] The Drive. 2018. länk

[4] FFI Årskonferens 2019. Klaas Burgdorf. länk