Litteraturstudie – Status och framtida förväntningar på laddbara fordon (del 1 av 2)

Det är allt svårare att hänga med i den explosionsartade utvecklingen för laddbara fordon. Ett av de svåraste områdena att följa och syntetisera är forskningen. Då och då publiceras det dock bra litteraturstudier som sammanställer forskningsläget inom ett eller flera forskningsfält. I förra veckan skedde precis detta. 18 ledande forskare inom elektrifieringsområdet publicerade ”The rise of electric vehicles – 2020 status and future expectations” [1], artikeln är ”open access” och därmed möjlig för alla att ladda ner. I studien sammanställer de sju aspekter som berör laddbara fordon. Dessa är:

(1) Överblick av laddbara bilar (personbilar) och prognoser för framtida marknadsandelar

(2) Marknadspotential utöver laddbara bilar (tunga fordon)

(3) Genomgång av kostnader och prestanda för batterier, kraftelektronik och elmaskiner

(4) Status för laddningsinfrastruktur med fokus på modellering av kravställning och ekonomi

(5) Överblick på laddbara fordons påverkan på elnät

(6) Insikter inom livscykelkostnader och utsläpp

(7) Framtidsförväntningar och synergier mellan laddbara fordon och andra framväxande trender och teknologier

Jag har valt att dela upp den omfattande litteraturstudien i två delar. Dagens nyhetsbrev ger en överblick/slutsatser från aspekt 1 – 3. Imorgon kommer del två för aspekter 4 – 7. För er som har varit i branschen ett tag är det säker mycket som redan är välbekant. För er som är nyare inom branschen tror jag att litteraturstudien kan ge en god överblick över området samt utgör en bra start för vidare efterforskningar (studien bygger på över 100 referenser).

(1) Snabb försäljningsökning och osäkra prognoser för laddbara personbilar

Den snabba globala försäljningstillväxten av laddbara bilar under senare delen av 2010-talet fastslås i huvudsak bero på: förbättringar i batteriteknik, en flora av styrmedel för att minska utsläppen (t ex subventioner/bonus vid köp av laddbara bilar) och regleringar/standards som främjat energieffektivitet.

Barriär för köp av laddbara bilar inkluderar kunders skepsis för ny teknik, höga inköpspriser, begränsad räckvidd, brist på laddinfrastruktur och begränsat utbud av bilmodeller.

Historiska prognoser av marknadsandelar för avancerade teknologier har ofta underskattat hastigheten i den tekniska utvecklingen och dess effekt på försäljningen. Vilket även är fallet för laddbara bilar. Bilmarknaden är visserligen notoriskt svårbedömd då prognoser ska ta hänsyn till miljarder människors inte alltid rationella beslutsprocesser. Framtiden är alltså svårbedömd, men trenden är tydlig; laddbara bilar kommer att ta allt större marknadsandelar. Drivet av en delvis självstärkande process – tekniska framsteg, ökad kännedom hos kunder, OEM:er utökar sin produktportfölj och att styrmedel fortsätter främja laddbara bilar.

(2) Tunga laddbara fordon blir allt mer konkurrenskraftiga   

Mycket fokus är på laddbara personbilar. Det har dock skett stora framsteg även för tunga fordon (tunga och medeltunga lastbilar, bussar samt andra yrkesfordon). I slutet av 2019 fanns det ca 700 000 laddbara fordon av dessa typer i trafik globalt. De skiljer sig från personbilar bland annat genom krav på ökad variation i batterikonfigurationer och laddlösningar. Detta för att uppnå kravbilder på t ex maxlast och räckvidd. Drivlinorna i tunga fordon behöver också konfigureras för längre livslängd, högre effekt, vridmoment och laddeffekt. Vilket kan begränsa synergier och skalfördelar i delning av kunskap och komponenter med elektrifierade drivlinor för personbilar.

Historiskt har helelektrifierade tunga lastbilar (över ca 15 ton) ej ansetts praktiskt eller ekonomiskt användbara. Detta har på senare tid ifrågasatts. Ett antal studier har teoretiskt påvisat att även längre transporter med tunga lastbilar kan vara tekniskt och ekonomiskt möjligt. En nackdel är minskad lastkapacitet på grund av vikten på batteriet. Med hur mycket är ännu oklart. Estimat för tunga lastbilar (fjärrtransport, 805 km räckvidd) varierar från så lite som 4 % till mer betydande 28 %. För mer nyheter rörande tunga elfordon, se även omEV från 13 april [2].

(3) Fortsatt sjunkande batteripriser och ökat fokus på elmaskiner och kraftelektronik  

Genomsnittliga batteripriser (pack) sjönk med mer än 80 % mellan åren 2010 och 2020, från 1000 USD/kWh till 156 USD/kWh. Under samma period ökade den genomsnittliga energidensiteten från 140 Wh/kg till 240 Wh/kg. Billigare och bättre batterier kan härledas till ökad kunskap hos utvecklingsingenjörer, användning av material som möjliggör högre kapacitet och spänning samt metoder för förbättrad livslängd och säkerhet.

Denna trend förväntas fortsätta i framtiden. Vissa prognoser pekar mot priser ner mot 60 USD/kWh (pack) till år 2030. De drivande faktorerna spås vara: användning av material med högre kapacitet, ökad andel av komponenter med aktiva material, användning av material med lägre kostnad (ingen kobolt), förbättrad packdesign och fortsatt automatisering. Det poängteras dock att eventuella prisökningar för kritiska metaller som Nickel och Litium kan motverka den historiska trenden av sjunkande batteripriser. Solid state batterier för fordonsapplikationer anses ligga fem till tio år från massproduktion.

Förutom batteriet utgör även elmaskiner och kraftelektronik viktiga komponenter i laddbara fordon. Det finns potential att förbättra även dessa komponenter. Amerikanska Department of Energy (DOE) har satt upp ambitiösa mål för effektdensitet (kW/L) och kostnad för elmaskiner och kraftelektronik för år 2025. För effektdensitet är målsättningen en förbättring med faktor sex för elmaskiner till åtta för kraftelektronik jämfört med baseline för 2020. Även kostnadsmålet (minus 33 % jämfört med 2020 baseline) utgör en utmaning jämfört med dagens nivåer.

Elmaskiner och kraftelektronik har historiskt varit separata komponenter i den elektriska drivlinan. Under senare tid har dock allt fler aktörer börjat integrera dessa komponenter tillsammans. Integration kan minska energiförluster, öka effektdensiteten samt sänka kostnaderna. Å andra sidan ökar integrationen elmaskin och kraftelektronik kraven på kylning. Flera möjliga kyllösningar har föreslagits i forskningen, bland annat eliminering alternativt kombinera kylningskanaler. Ett annat sätt att sänka kostnader är att minska behovet av sällsynta jordartsmetaller i elmaskiner, ett område där det pågår omfattande forskning.

Referenser

[1] Muratori, Matteo, et al. ”The rise of electric vehicles—2020 status and future expectations.” Progress in Energy 3.2 (2021): 022002. länk

[2] omEV. 13 april 2021. Rapporter och artiklar om eldrivna lastbilar. länk