Ger batteribyte bättre elsystem och lägre effektbehov än billaddning?

Tre forskare på ett portugisiskt universitet har kört en energioptimeringsmodell. Deras modell har jämfört elproduktion, elnät och kapacitetsbehov med olika elfordonstekniker i ett system med enbart förnybar el. Studien visar att batteribyte har tydliga fördelar jämfört med laddbara fordon, bränsleceller och elvägar.

Studie av batteribyte med fokus på elsystem

Forskarna Vallera, Nunes och Brito har utgått från fyra system av energibärare till lätta och tunga vägtransporter [1, 2]. Med hjälp av energimodellen TIMES har de beräknat scenarier år 2050. Elen antas då komma till ungefär 40 procent från solceller, 40 procent från vind, 10 procent från vattenkraft, samt lite biomassa och avfall. Man fokuserar på energisystemeffekter på nationell nivå. Resultaten beräknas för Portugal men sägs vara giltiga även för andra länder med liknande energimässiga förutsättningar.

Scenarier med laddfordon, bränsleceller, elvägar och batteribyte

Forskarna har beräknat fyra scenarier 2050 där samtliga vägfordon i Portugal är eldrivna. Scenarierna är renodlade och förenklade. Man vill beskriva hur olika elfordonssystem påverkar elsystemets effektbehov och behovet av kraftproduktion. För att få jämförbara resultat har man antagit att energibehovet och användningen av el i fordon är lika i alla studerade system.

Scenarierna är följande:

1. Batterielektriska fordon som laddas från elnätet. Samtliga fordon använder normalladdning och snabbladdning. Normalladdningen beräknades både enkelriktad och dubbelriktad med återladdning från fordon till nät (vehicle to grid).
2. Laddbara fordon i kombination med elväg. De lätta fordonen är batterifordon enligt alternativ 1. Tunga bussar och lastbilar körs på elvägar. Den elvägsdrivna trafiken antas stå för hälften av energibehovet från vägtrafik.
3. Laddbara fordon i kombination med bränslecellsfordon. De lätta fordonen är batterifordon enligt alternativ 1. Tunga bussar och lastbilar drivs med el från bränsleceller som tankas med vätgas. Vätgasen antas vara producerad i ett förnybart elsystem där variabel elproduktion används till att tillverka vätgas när efterfrågan på el är låg.
4. Batterielektriska fordon med batteribyte. Både lätta och tunga fordon har standardiserade system med utbytbara batterier där bytet tar ungefär 5 min. Detta alternativ utgår alltså från att alla fordon är batteriförsedda, men batterierna laddas vid bytesstationer och fordonen laddas inte på annat sätt.

Nät av batteribytesstationer ersätter tankställen

I batteribytarscenariot tänker man sig alltså batteribytesstationer som ersätter dagens tankställen. Varje station har tusentals standardiserade och kvalitetssäkrade batterienheter. Ett antal robotar sköter själva bytet på någon minut. Varje station antas behöva ungefär 12 MW laddkapacitet. Idealt kommer systemet behöva ett utbytesbatteri per personbil medan tunga lastbilar kan behöva upp till 20. Genomsnittstiden för ett batteri i depå har satts till två dagar. 75 procent ska bytas inom ett dygn. Under tiden som batterierna är anslutna till elnätet i bytesstationerna har man i en beräkning studerat nytta av att de kan fungera som effektreserv med viss återföring (battery to grid).

Fördelar med batteribyte

Fordonsflottor med fast monterade batterier måste laddas på ställen och tider som styrs av transportbehov och resebeteenden. Fördelen med batteribytesmodellen, sett i ett elsystemperspektiv, är att laddning av batteri är helt frånkopplad fordonsanvändning. Laddning och behovet av effekt etc. kan optimeras utifrån kostnader, nätkapacitet och annat som hör till elsystemet. Effektkrävande snabbladdning blir överflödig.

Författarna utgår från att hanteringen av våra framtida elsystem i hög utsträckning kommer handla om att hantera obalanser mellan efterfrågan och utbud av el och effekt. Man har därför studerat olika sätt att utjämna obalanser genom att simulera effekter på elsystemet.

Batteribyte bästa lösningen från ett elnätsperspektiv

Forskarnas slutsats är att en fordonsflotta med batteribyte är överlägset bäst från ett energisystemperspektiv. Effektuttaget blir mycket jämnare när laddningen av batterier till fordon kan integreras i övriga kraftsystemet. Systemobalansen i det portugisiska elnätet 2050 skulle vara nära noll under merparten av året, även utan batteri-till-nätåterföring. Med återföring minskar obalansen ytterligare. Ett batteribytessystem minskar både behoven av ny elkraft och system för att lagra el. Det krävs inte alls lika mycket investeringar i internationella elnät för att jämna ut elbehovet mellan länder.

Snabbladdning överflödig

Författarna resonerar också om batteriers hållbarhet. Eftersom batteribyte aldrig kräver snabbladdning kommer batterier behålla sin kapacitet längre. De tror att batteribytessystemet rentav kan ge lägre batterikostnader trots att det kräver betydligt fler batterier än om de är fast monterade eftersom dessa kommer snabbladdas mer eller mindre ofta.

Vätgas kräver mer el och elvägar mer effekt

Även vätgas har fördelar jämfört med fasta batterier. Effektbehoven för att producera vätgas kan anpassas efter övrig efterfrågan. Bränslecellsfordon har dock betydligt lägre verkningsgrad och då blir totala elbehovet högre och därmed sämre för elsystemet än batteribytet.

Elvägar har hög systemverkningsgrad, men i samma ögonblick som fordonet rör sig måste elen levereras. Effektbehovet styrs av transportflödena. Det gör att även elvägsscenariot bedöms vara mindre attraktivt från elsystemsynpunkt.

Hypotetiskt scenario

Det finns dock en liten hake – inga teknikneutrala och storskaliga system för batteribyte tycks utvecklas i dagsläget. Systemet skulle kräva många nya standarder och en helt ny form av samverkan mellan fordonsindustrin och andra aktörer. Författarna framhåller som exempel det misslyckade försöket från Renault med Better Place i Danmark 2012, och ett försök av Tesla 2013 som avslutades 2015 då man istället satsade på ett eget nät med snabbladdare.

Kina satsar

Samtidigt verkar marknaden ta fart i Kina. Nio, Baic och ytterligare några kinesiska tillverkare hade i mitten av 2020 installerat nästan 500 batteribytesstationer. Nio hade då genomfört en halv miljon batteribyten [1, 3]. Nio har infört battery-as-a-service där kunder erbjuds en elbil utan att köpa batteri och kan därmed sänka kostnaden till ungefär halva priset. Istället betalar bilägaren en månadskostnad för ett utbytesabonnemang. Utbytessystem stöds av Kinas industri- och it-departement. Det förekommer initiativ för att ta fram tillverkargemensamma standarder för batteribyte. Batteribytesprogram ingår i Kinas paket för att motverka ekonomiska effekter av coronapandemin. Kina planerar dra ner subventionerna till inköp av elbilar över 300.000 yuan, men bilar med batteribytesteknik ska erbjudas full subvention även över den nivån.

Batteribyte i tvåhjulingar

Som komplement kan nämnas företaget Gogoro. De har blivit de-factostandarden för utbytesbatterier till elskotrar i Taiwan [4]. Gogoro äger en miljon utbytesbatterier och det motsvarar 1,5 GWh batterikapacitet. En halv miljon användare gör 340 000 dagliga byten i 10 000 bytesstationer. Företaget har 95 procent av marknaden.

Egen kommentar

Studien är mycket hypotetisk. Det finns många antaganden som kan ifrågasättas. Inte mycket talar för att utvecklingen av elfordon kommer drivas av elsystemets förutsättningar.

Samtidigt sätter studien fingret på något intressant. Elproduktion, nät och effektbehov hänger ihop med elektromobilitet på ett sätt som inte gäller för dagens bränsledrivna fordon. Det kan troligen komma att påverka nya aktörer och fordonsaktörerna på nya sätt. Studien tar upp några aspekter av detta.

Kina är intressant. Det är bara en tidsfråga innan modeller med batteribytessystem kommer till Norden. Frånsett detta, i dagsläget är det inte många fordonstillverkare som satsar kraftfullt på batteribyten. Kommer batteribyte utgöra en nisch, eller kommer företeelsen växa så pass att elsystem och elnätsaktörer påverkas mer påtagligt?

Källor

[1] A.M. Vallera, P.M. Nunes, M.C. Brito (2021). Why we need battery swapping technology. Energy Policy 157. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0301421521003517

[2] Sammanfattning från EU-kommissionens Science For Environment Policy Electric transport: study suggests that battery-swapping technology may be the best solution. länk

[3] Youtubefilm av bilägare med Nio som byter batteri. länk

[4] Gogoro Goes Big With One Millionth Swappable Battery länk

[5] Batteribyte – Två rapporter om lätta och tunga fordon i Kina. omEV. 19 oktober 2021. länk

[6] Batteriutbyte – på gång i Kina. omEV. 31 auguti. 2020. länk

[7] Jasmine Lihua Liu and Mike Danilovic. Exploring battery-swapping for electric vehicles in China 1.0 (länk, 105 sidor, pdf)

[8] Jasmine Lihua Liu and Mike Danilovic. Exploring battery-swapping for heavy trucks in China 1.0 (länk, 102 sidor, pdf)

[8] VTI representerar Sverige i samarbete om ”Battery Swapping”. 28 februari 2022. länk

[9] IEA Task 48 Battery Swapping. länk  ”The main objective of this task is to investigate the influences of battery swapping employment on battery chemistry, grid infrastructure, environment, and business model, strengthen the global information exchange on battery swapping technology, help the formation of battery swapping ecosystem and traceability mechanism, and offer suggestions for policy makers and stakeholders.”