Batterier som energilagringsmedium for transportsektoren

av Dr Lars Ole Valøen CTO Grenland Energy AS Postboks 15 Flåtten, 3997 Porsgrunn E-post: [email protected] http://www.grenlandenergy.com/

Innledning

I batterier lagres den elektriske energien i kjemiske forbindelser, og under utlading skjer en elektrokjemisk prosess som genererer energi i form av elektrisitet. Batterier består av en eller flere elektrokjemiske celler og finnes i to hovedtyper: Ikke-oppladbare (primær-) batterier og oppladbare (sekundær-) batterier. De mest aktuelle oppladbare batteriene for transport sektoren er: spenning pr celle - Blybatteri (Pb) - Nikkel-kadmium batteri (NiCd) 1,8 - 2,1 V 1,0 - 1,3 V - Nikkel-metallhydrid batteri (NiMh) 1,0 - 1,3 V - Litium-ion batteri (Li-ion) 2,5 - 4,2 V De forskjellige oppladbare batteriene har sine fordeler og ulemper. Uten å gå i dybden på de enkelte, er det i dag Li-ion som er den foretrukne batteriteknologien for avanserte og krevende applikasjoner. Li-ion kjennetegnes ved høy virkningsgrad, høy gravimetrisk energi tetthet (Wh/kg) og høy volumetrisk energitetthet (Wh/L), potensielt høy effekt, tåler meget godt “klattlading”, lang levetid og god evne til å tåle dype utladinger. En Li-ion celle består i hovedsak av katode, anode, separator og elektrolytt. Li-ion batteri er en felles betegnelse på batterier der ladningstransporten i batteriet foregår ved hjelp av litiumioner [Li + ]. Videre har materialene i både katode og anode evne til å interkalere Li. Li-ion ble først tatt i bruk i forbrukselektronikk i 1991. I starten var det applikasjoner som mobiltelefoner, bærbare PC-er og batteridrevet verktøy. Li-ion blir sett på som en relativt ny teknologi i mobile applikasjoner som elektriske sykler/scootere, elektriske biler (elbil) og (plugg-inn) hybridbiler. Elektrifiseringen av den maritime industrien er i sin spede begynnelse, men alt i dag er det “Ladbare Elektriske Fartøy” (LEF). LEF kan være alt fra fritidsbåter til passasjerbåter og større skip som bruker strøm lagret i batteri i sin drivlinje. I dag er det flere LEF-prosjekter på gang eller under utvikling.

Potensialet

Li-ion batterier er i konstant utvikling, særlig med hensyn på energitetthet, effekttetthet, sikkerhet og levetid. En forventer at innen 10 år vil energitettheten øke signifikant, samt at prisen pr. kWh lagringskapasitet vil synke. Potensialitet for en økning i antall elbiler i Norge er stort, særlig med dagens gode insentiver og fordeler: • Fritak fra skatt, moms og årsavgift. • Bom- og parkeringsavgifter, samt at ferger i riksvegnettet er avgiftsfrie. • Lavere pris på forsikring. 1

• Gratis lading på flere offentlige og private plasser. • Fri tilgang til kollektivfelt Strøm er relativt sett billig i Norge sammenlignet med resten av Europa. I 2010 gjorde ZERO ( www.zero.no

) en økonomisk beregning av drivstoff vs. strøm for ferger: “En ferge med et drivstofforbruk på om lag 80 liter per driftstime vil, ut fra en pris på 4,20 kroner per liter på Marin gassolje (MGO), ha årlige drivstoffutgifter på om lag 2,3 millioner NOK. Dersom vi tar utgangspunkt i en gjennomsnittlig strømpris på 0,50 kroner per kWh og 0,35 kroner i nettleie per kWh, vil en mellomstor batteriferge ha årlige energiutgifter på om lag 1,8 millioner NOK.” Staten har gode insentiver for LEF gjennom blant annet Norges forskingsråd og Transnova. Disse kan gi støtte til LEF-prosjekter enten det er ombygging av eksisterende eller nybygging av fartøy til LEF. Innovasjon Norge kan gi midler til tekniske løsninger som trengs for å utvikle eller forbedre LEF-konseptet videre, om løsningen(e) har eksportpotensial. I tillegg har vi Næringslivets NOx-fond ( www.nho.no/nox ). I FellowSHIP prosjektet blir supplyskipet “Viking Lady” ( www.vikinglady.no

) ombygd til hybrid drift. Det installeres en batteripakke som vil bli skipets strøm-“bank”. Det gir mulighet til at motoren ombord kan gå på konstant og optimalt turtall. Når en ikke trenger all energien som produseres kan dette lagres i batteriene. Tilsvarende, når en trenger mer energi enn det som produseres, kan det hentes fra skipets generator. “Viking Lady” sitt forprosjekt viser at investeringen er tilbakebetalt på ca. 2 år. Alt dette bør gjøre og gjør at det er meget interessant for redere, operatører og andre interessenter å satse på LEF. Sist, men ikke minst er det store miljømessige gevinster ved å bruke batterier som energi kilde i transportsektoren, særlig i Norge hvor det meste av energien fra strømnettet kommer fra vannkraft.

Hovedutfordringen

Det er flere utfordringer for Li-ion batteri: • Det trengs et avansert “Battery Management System” (BMS) til å overvåke og styre batteriet. BMS overvåker flere parametre, særlig viktig er det å overvåke temperaturen og cellespenningen i batteriet. Om temperaturen går utenfor sitt optimale område, vil BMS en justere ytelsen til batteriet. BMS styrer også lading og utlading i forhold til gitte parametre. I en elbil, når tenningen blir slått av, blir batteripakken frakoplet resten av bilens system. • Li-ion opererer best og tåler flere driftssykluser (duty cycles) om batteriet får operere under optimal tempertur på rundt 20 O C. Dette kan løses på flere måter. I et fartøy kan batteripakken plasseres i et temperaturkontrollert rom. For både kjøretøy og fartøy kan vi ha luftkjøling eller vannkjøling for hver enkelt batteripakke. Det optimale er å ha vann kjøling da man kan ha temperaturregulering direkte i nærhet til selve battericellene. Ulempen er at aktivt temperaturreguleringssystem tar plass, øker kostnaden og krever ekstra energi. • Typisk størrelse for et Li-ion elbil batteri er 15 - 50 kWh. Et Li-ion for LEF kan typisk være i størrelsesorden 0,5 - 2 MWh. SIKKERHET er og blir fokus nummer en. I et Li-ion batteri, hvor mye energi er lagret, kan (i verst tenkelige tilfelle) en termisk hendelse inntreffe. Et godt systemdesign er viktig for å hindre overopphetning og sikre strabil operasjon og lang levetid. Like viktig er det å kvalitetssikre alle delene som benyttes i batterisystemet. • Skulle først en termisk hendelse skje, er det svært viktig å hindre spredning til de andre cellene i batterimodulen. 2

• Det er mange utfordringer og hensyn å ta for en batteripakkedesigner. Kunden derimot er foruten pris og sikkerhet, gjerne mest opptatt av høy gravimetrisk og volumetrisk energi tetthet! Spesielt for elektriske biler eller mindre fartøy er det lett å se at vekt og volum er en vesentlig faktor. For mellomstore fartøy er kanskje ikke volum like viktig som vekt. Et batteridesign som gir lav gravimetrisk energitetthet er en ulempe da en risikerer å frakte med seg flere ekstra tonn batterier noe som kan gi lavere lønnsomhet! Det er nesten litt rart at ikke flere i Norge kjører elbil med alle de gode insentiver og fordeler vi har! Noe av grunnen kan være redselen for å gå tom for strøm. Det er jo ikke bare å kjøre innom og tanke på to minutter. Det er foreløpig få steder hvor en kan gjøre hurtiglading. Med hurtiglading kan en “fylle” opp batteri til 80 % i løpet av 30 min. Ladetilstand eller “State of Charge” (SOC) er begrepet som brukes for å fortelle om batteriets ladetilstand. Ved fullt oppladet batteri er SOC 100 % og helt utladet er SOC 0 %. Dagens elbiler har typisk en begrensing i kjørelengde på ca. 100 til 150 km før man må lade. Kjørelengden avhenger mye av batteritype og batteriprodusent. De fleste i Norge kjører daglig mindre enn 100 km pr. tur før de har anledning til å lade. I de fleste tilfeller vil elbilens kjørelengde holde for det daglige behovet. For LEF snakker vi om betydelig høyere spenning (V), og det trengs atskillig mer batterikapasitet (Wh) enn for elbiler. Det er derfor ikke bare å ta i bruk “elbil-teknologi” direkte. For eksempel kan hele designet måtte endre dersom spenningen økes for å kunne garantere elektrisk isolasjon. En stor utfordring er ladepunktet og tilgang til nok ladestrøm. Vi snakker om batteripakker på 0,5 - 2,0 MWh. En ladestasjon bør derfor være nærmest mulig et 22 KV høyspentnett, da en effekt på 1 MW i ett punkt gir store tap i nettet dersom denne effekten transporteres over store strekk i et lavspentnett. Man er derfor avhengig av velvilje og godt samarbeid med lokal strømleverandør slik at en får 22 KV høyspentnett helt frem til ladestasjonen. Ved enkelte kaianlegg kan det være at lading av LEF vil kreve mer strømkapasitet enn de fastboende bruker til sammen. Tar vi utgangspunkt i en batteripakke på 1 MWh, vil den ha samme effektpådraget som 20 - 50 boliger. Ladepunktet er den virkelig store X-faktoren. Når en kopler seg til landstrøm har man som oftest god tid da fartøyet skal ligge til kai/bøye i flere timer. Ved ladestrøm kan det være snakk om å ligge til kai i kun få minutter før en setter fart mot neste kai. Derfor må selve prosessen med å “kople” seg til ladestrøm kun ta sekunder, og helst ikke mer enn 15 - 30 sekunder. Prosessen bør i tillegg være helautomatisk. Sikkerhet, robusthet og at ladepunktet tåler vær og vind er et must. Når en skal bestemme størrelsen på den totale batteripakken må en vite fartøyets driftprofil. Hvor lenge fartøyet ligger til kai på hvert sted er også avgjørende, og om en vil ha tilgang til ladestrøm ved det aktuelle kaianlegget. Selv om en bare ligger til kai i noen minutter og en har tilgang til hurtiglading, kan dette redusere størrelsen på batteripakken. Jo færre dype utladinger, desto flere driftssykler tåler batteriet. Om det gjøres mange driftssykler der lade tilstanden kommer under 20 % SOC, svekker dette levetiden til batteriet betraktelig. Det er derfor ofte god økonomi å investere i en batteripakke med noe større kapasitet slik at SOC holdes høyere. Som en tommelfingerregel sier man at en dobling av lagringskapasitet vil føre til en firedobling av levetiden. På den andre siden vil en økning av kapasiteten gi en økning i vekt og volum. Det er derfor viktig å gjøre en forundersøkelse og finne den optimale batterikapasiteten i hvert enkelt tilfelle.

Forskningsutfordringer og behov

Som nevnt består en Li-ion celle av en katode (direkte forbundet med positiv terminal), en anode (direkte forbundet med negativ terminal), separator og elektrolytt. For å øke energitettheten har forskningsfokus vært på aktivt katodemateriale. Når man skal velge 3

cellekjemi for et Li-ion batteri, må dette sees i sammenheng med den applikasjon batteriet skal brukes i. Her må en se på kriterier som sikkerhet, energitetthet og ønskede antall driftssykler. Et eksempel på et katodemateriale som tar vare på sikkerhet og har et høyt antall driftssykler er Litium [Li], Mangan [MN], Nikkel [Ni], Kobolt [Co] oksid, forkortet til NMC. Andre eksempler er Li 2 CoO 2 (høyere energitetthet) og LiFePO 4 (lavere energitetthet). En forbedring av aktivt katodemateriale alene vil ikke være nok for å doble energitettheten slik man ønsker. Derfor er det nå også stort forskningsfokus på anodematerialet. Til nå har grafitt (karbon) vært dominerende. Det forskes nå på ulike legeringer, for eksempel Tinn- eller Silisiumbaserte forbindelser. Ulemper med disse er i dag begrenset levetid. BMS-en er en utfordring. BMS-en overvåker hver enkelt battericelle i modulen. (Li-ion batteri celler er koplet i serie og/eller parallell for å få ønsket strøm og spenningsnivå.) Dette er kostnadskrevende. Det kreves i tillegg stor nøyaktighet i hardware (HW) komponentene som brukes, noe som fører til at komponentkost blir betydelig. Det at BMS-markedet ikke er så stort, gjør at HW-komponentene kan utgjøre en betydelig kostnad. I dag ligger gjerne komponentkost for BMS-en på 25 - 35 % av total komponentkost i en batteripakke. For at prisen på Li-ion skal bli billigere bør cellekostnaden være over 75 % av den totale kostnaden for batteripakken. Det er helt klart behov for et landsdekkende nett av hurtigladestasjoner for elbiler. I første omgang kan et krav være at alle bensinstasjoner i tettbefolkede områder skal ha mulighet for hurtiglading. Med den billige strømmen vi har i Norge er dette noe bensinstasjoner og andre foretak kan tjene penger på, selv om tjenesten skulle være gratis. Selv med hurtiglading tar det noe tid å lade opp. Mens folk venter på å lade opp bilen, kan bensinstasjoner eller andre foretak hvor hurtiglading er mulig, tjene penger på at folk handler hos nettopp dem. Når det gjelder LEF-er så bør det utvikles en felles standard for ladepunkt. Denne standarden bør være modulerbar slik at ladepunktet kan brukes av alle LEF-er med ulike batteripakker. I første omgang er det viktig at denne standarden blir nasjonal. På den måten kan en batterielektrisk ferge som operer på strekning A, flyttes og bruke på strekning B da ladepunktet er det samme. Målet på sikt er å få den norske standarden til å bli en internasjonal standard. Norge kan utvikle teknologien og eksportere den. Det Norske Veritas (DNV) sammen med andre norske samarbeidspartnere har søkt Transnova om støtte til et slikt prosjekt. LEF-er har meget store batteripakker (0,5 -2 MWh). Så mye energi samlet så kompakt, gir betydelige nye utfordringer i relasjon til sikkerhet, pålitelighet, rekkevidde og levetid som må adresseres på en ansvarlig og kvalitetsmessig måte. For at store batteripakker kan benyttes forsvarlig og sikkert til elektrisk fremdrift av skip, vil det derfor være behov for teknisk utvikling, risikoanalyser, testing og kvalifisering/validering av batterisystemene. DNV, ZEM Energy og Grenland Energy AS (http://www.grenlandenergy.com/) har søkt støtte fra Transnova til prosjektet: “Kvalifisering av store batterisystemer for maritime anvendelser”. Dette har Transnova innvilget.

Konklusjon og anbefalinger

Økt bruk av batterier kan spare både penger og miljøet. Energieffikitivet ved ulike batteri typer: Blybatteri NiMH Li-ion ~85 % ~65 % ~95 % Med forskning på ny og forbedret Li-ion celle kjemi kan energitettheten økes signifikant. Kort sagt vil dette si at elbiler, hybridbiler og LEF vil kunne kjøre enda lengre på en batteripakke med samme volum og tilsvarende vekt som i dag. Prisen for batteripakken med dobbelt kapasiet kan i enkelte tilfeller være sammenlignbar i pris med dagens batteripakke. 4

KILDER • Det Norske Veritas, www.dnv.no

• FellowSHIP prosjektet og “Viking Lady”, www.vikinglady.no

• Næringslivets Hovedorganisasjon (NHO) NOx-fondet, www.nho.no/nox • Grenland AS, http://www.grenlandenergy.com/ • Osterøy Ferjeselskap AS og “Heilt Elektrisk”, www.osteroy-ferjeselskap.no

• ZEM • ZERO (Zero Emission Resource Organisation), www.zero.no

FORKORTELSER BMS Battery Managment System DNV Det Norske Veritas HW LEF Hardware Ladbare Elektriske Fartøy Li-ion Litium-ion batteri MGO Marin gassolje NiCd Nikkel-kadmium batteri NiMH Nikkel-metallhydrid batteri NHO Næringslivets Hovedorganisasjon Pb Blybatteri Sw T/R Software Tur-Retur 5