Elektroaŭtoj kaj litio-baterioj Werner Fuß, Garching

1. Elektroaŭtoj kaj litio-baterioj Werner Fuß, Garching La homaro eligas tro multe da CO2. Tio varmigas la klimaton en maltrankviliga skalo. Por limigi la varmiĝon al 2 °C, la industriŝtatoj devas redukti siajn CO2-eligojn en 2050 al 10% de la nuna. La aŭtotrafiko repondecas pri ĉ. 25% de la homfarataj CO2-eligoj.

2. Nun ekzistas ĉ. 1 miliardo da aŭtomobiloj. Ene de 10-20 jaroj oni atendas 2 miliardojn. Ĉu elektroaŭtoj estus solvo?

3. Elektroaŭtoj konkurpovaj ankoraŭ ne estas haveblaj. Plua disvolvado estas necesa. Ankoraŭ mankas la infrastrukturo. … • Ĉu oni povus anstataŭe aŭ intertempe uzi bio-brulaĵojn (bio-dizelon, bio-etanolon …)? • Ili estas uzeblaj en la nunaj aŭtoj. • Ili estas rekreskantaj krudmaterialoj. • Ili liberigas nur tiom da CO2 en la atmosferon, kiom ili antaŭe deprenis de ĝi. • La germana registaro en Oktobro 2010 validigis leĝon, ke oni nun (ek de ?) aldonu al benzino kaj dizelo 10% (anstataŭ nun 5%) da bio-brulaĵo. • Sub tiu kondiĉo la EU koncedis (antaŭ unu jaro?), ke germanaj aŭtoj rajtas eligi 10% pli da CO2 ol aliaj. Notu: - La plejmulto da germanaj autoj estas eksportataj. - Granda parto de bio-brulaĵo estas importata de Indonezio kaj Malajzio, kie grandaj areoj estis senarbarigataj por produkti palmoleon. Vera malfeliĉo por la klimato!

4. Pli malprospere estas, ke bio-veturbrulaĵoj estas klimato-malutilaj. Pri tio avertis fine de 2008 la WBGU (Wissenschaftlicher Beirat der Bundesregierung für Umweltfragen). Plia rikolto de biomaso necesigas plian kreskigon, kiu ĉe ni nur eblas kun sterkado. De nitrogensterko bakterioj liberigas N2O, kiu estas 300-foje pli varmdom-efika ol CO2. La klimatobilanco de la plej multaj bio-veturbrulaĵoj de la nuna generacio estas negativa.

5. Dua generacio de biobrulaĵoj (ekzistas en eksperimentaj instalaĵoj): Oni utiligas ne nur la semojn (au sukron) sed la kompletan planton. Ekz-e oni karbonigas aŭ gasigas ĝin kaj el tio sintezas likvan hidrokarbonon per konataj teknikoj. Ilia klimatobilanco estas iom (ne multe) pli pozitiva. Energi-efikeco: Brulado de planto (aŭ de biobrulaĵo) nur liberigas 0,5% de la sunenergio, kiun la planto uzis por kreski. Komparu: Sunĉeloj havas efikecon de ĉ. 15%. Do: Se oni volas rikolti energion de iu areo, oni ne kultivu plantojn, sed uzu sunĉelojn (aŭ ventoradojn). Laŭ mi: La klimato-utilo de biobrulaĵojankaŭ por domhejtado ktp. estas ĝenerale dubinda, escepte se ili devenas de rubaĵo aŭ de antaŭe nekultivita areo/terparto.

6. Ĉu elektroaŭtoj estus la solvo? Komence de la jaro estis granda eŭforio. La registaro volis regajni terenon, eĉ - volas, ke Germanio estu gvidanto en la elektromovebleco kaj la bateridisvolvado, - kaj deziras ke post 5-10 jaroj estu 1 miliono da elektroaŭtoj sur la stratoj de Germanio. (En Kalifornio leĝo de 1995 dekretis, ke en 1998 2% de la tieaj veturiloj estu nul-eligaj kaj en 2003 10%. Nun ekzistas kelkaj mil.)

7. Estis timo, ke Germanio perdus la konkurpovon. Subvencioj en diversaj landoj.

8. Intertempe estas multaj skeptikaj voĉoj en la komunikiloj. Ekz-e Spiegel Majo 2010: „La granda e-luzio“ • La tekniko estas multekosta. • La baterioj estas pezaj kaj konsumas grandan volumenon. • La atingodistanco estas mallonga. • La reŝargado daŭras tre longe. • La vivdaŭro de la baterioj (ankoraŭ) estas limigita. • Estas aplikniĉoj. - La klimato-utilo estas marĝena en antaŭvidebla estonteco.

9. Plene elektraj kaj hibridaj veturiloj: Hibridaj aŭtoj havas brulmotoron kaj elektromotoron. La elektromotoro estas aldone uzata nur ĉe pintaj ŝarĝoj (akcelado, montoveturoj). Generatoro regajnas bremsenergion kaj deĉerpas troan povumon de la brulmotoro. Ŝparas ĉ. 30% da benzino (kaj da CO2). Sukceso: Jam estas merkato. Merkatogvidanto: Toyota (Prius). Multaj aliaj firmaoj unue disvolvis kaj nun denove disvolvas hibridaŭtojn.

10. Variaĵoj: • Mikrohibrido: Brulmotoro kun start-halt-aŭtomato. Ŝparado ~10%. • Milda hibrido: Start-halt-aŭtomato kaj regajno de bremsenergio. • Plena hibrido. • Kontaktuja (aŭ enŝtop-) hibrido: havas pli grandan baterion kaj malpli grandan brulmotoron. Granda parto de la ŝargo estas prenata de la elektra reto. • La enŝtophibrido eble havas grandan estontecon. Kompare al puraj elektroveturiloj ĝi havas pli grandan atingodistancon kaj ankaŭ povas (iom) veturi kun malplena baterio.

11. Plene elektraj veturilojo

12. Elektromotoro kompare al benzinmotoro. • - Ek de haltado la elektro-motoroj havas la plenan turnmomenton. • Tial ĝi ne bezonas transmision. • Ili eltenas nedaŭran superŝarĝadon. Do oni povas preni pli mal-grandan motoron. • Ili ne konsumas elektron dum haltado. • Ili ankaŭ povas funkcii kiel generatoroj. Energiefikecoj: Elektromotoro, generatoro 90% Li-baterio ĉe (mal-) ŝargado 95% energicentraloj: malnovaj karbaj 33% novaj karbaj 46% gas-kaj-vaporaj 60% brulmotoro: benzina 25-28% dizela 35-37% Do: Elektroaŭto ŝparas CO2-on, se la elektro venas de GkV-centralo, sed ne kun karba centralo.

13. Rimarkigoj: - Brulmotoraŭtoj ankoraŭ havas ŝpareblojn: Dizelaŭto kun 3 L/100 km estas malpli multekosta ol elektroaŭto. Du-litra aŭto estis sur merkato. - La ŝparado de CO2 ne nur dependas de la efikeco, sed ankaŭ de la uzo (ofteco, distancoj entute veturataj, veturstilo), la grandeco de la veturilo k.a. Progresoj en la energiefikeco (kaj kun uzado de malpli pezaj materialoj) estis ĉiam kompensataj de pli malpi valoraj aldonaĵoj (kaj de plia uzado kaj por pli longaj distancoj). Ekz-o: Honda Accord 1976: 900 kg, 50 kW, 9 L/100 km, 2008: 1600 kg, 190 kW, >9 L/100 km.

14. Plene elektraj veturiloj: daŭro de reŝargado Post 1-hora veturado kun 40 kW (distanco de ĉ. 150 km) estas konsumitaj 40 kWh. Reŝargado kun 40 kW ankaŭ daŭrus 1 horon. Pli rapida ŝargado (duonan horon, 6 minutoj …) postulas pli grandan povumon. (Komparu: Kuirforna plato uzas ĝis 3 kW, kompleta forno kun bakejo ĝis 10 kW per 3-faza kurento, unu-familia loĝejo ĝis 15 kW. Se en iu strato aŭ reŝargejo dudek aŭtoj volus esti rapide ŝargitaj, la komunuma elektra reto kolapsus.) Unu solvo: Ne veturu pli ol 200 km tage kaj ŝargu en 10 horoj dum la nokto. Alia solvo: Oni nur luu la baterion kaj interŝanĝu la malplenan per plena. (Uzu forklevilon aŭ postveturilon.) Aldona avantaĝo: La bateristacioj povas esti membroj de inteligenta elektroreto: La baterioj povas funkcii kiel dumtempaj konserviloj de la elektro. Tion nun preparas la kanada firmao Better Place en du malgrandaj landoj, Danlando kaj Israelo, kie la atingodistanco de elektroaŭtoj normale sufiĉas.

15. Plene elektraj veturiloj: baterioj baterio militista = grupo de batalantoj kun siaj bataliloj, precipe artilerio. baterio elektra: origine estis grupo (staplo) da elektrokemiaj ĉeloj, sed nuntempe ankaŭ unuopo tia ĉelo estas nomata baterio. akumulilo (akuo) = reŝargebla baterio.

16. Plene elektraj veturiloj: ecoj de baterioj Baterioj havas multe malpli grandan energienhavon ol likvaj brulaĵoj. Dizelo: 10 kWh/L (14 kWh/kg), havebla kiel varmo. (Multobligu per efikeco de 0,35 por ricevi la mekanikan energion.) Bonaj litio-baterioj: 0,1 kWh/kg (kun periferio), espero pri 0,15 kWh/kg. Faktoro ~30 ! Dum baterioj bezonas oksidaton kaj oksidanton, por bruligado de C16H34 oni ne devas kunporti la oksigenon. (Brulaĵĉeloj ankaŭ ne.) Tio ŝparas faktoron 4,4 de la maso. Resto: strukturmaterialoj. La energienhavo de Li-baterioj estas la plej granda de baterioj,

17. Baterioj kaj reŝargeblaj baterioj (akumuliloj) • - Kelkaj kemiaj reagoj okazas nur aŭ prefere aŭ sub kondiĉoj (kun katalizilo), se la komponantaj estas ŝargitaj, aŭ se unue elektrono povas esti transdonata. - Ŝargitaj atomoj aŭ molekuloj = ionoj. • - En redoks-reago oksidanto transprenas elektrono(j)n de reduktanto (= oksidato). • - Oksidantoj: oksigeno kaj multaj oksidoj, fluorgrupanoj („halogenoj“) kaj kombinaĵoj, Fe3+, … • - Reduktantoj: metaloj, hidrogeno kaj kombinaĵoj, Fe2+ … • Ionoj estas solveblaj en kelkaj solvantoj, ekz-e akvo. Tia solvaĵo („elektrolito“) kondukas elektron (per migrantaj ionoj, ne per elektronoj). • Ekz-e fero praktike ne reagas kun oksigeno en seka medio, sed reagas en akvo, speciale en sala aŭ acida akvo. • Baterio enhavas • metalon kiel negativan elektrodon (liveras elektronojn), • oksidanton kiel pozitivan elektrodon (alprenas elektr.), • interspacon kun elektrolito, kiu kondukas la elektron nur per la ionoj. • ilon (ekz-e la membranon) por preventi la migradon de ekz-e la negativa ionoj sen malhelpi la pozitivajn. (Ju pli bona estas tio, des malpli estas la memmalŝargado.)

18. Mal- kaj reŝargado implicas materialtransporton. • Formŝanĝoj de la elektrodoj povas okazi. De ili dependas la „ciklo-rezisto“ (la ebla nombro de reŝargoj). • En la unuaj litiobaterioj ĉe reŝargo la litio deponiĝis en formo de pingloj, kiuj povis trapiki la membranon, tiel ke ekestis mallonga cirkvito. Ne reŝargebla! Danĝero ankaŭ ĉe superŝargado aŭ tro rapida ŝargado. • - Tial la nunaj akuoj enmetas la lition inter tavoloj de alia materialo (grafito, transirmetala oksido …) formstabila. (Li+ estas la plej malgranda metaliono.) • La materialkvanto deponebla ĉiusekunde dependas de la surfacgrandeco. Tial la akcepteblaj kurentoj ĉe malŝargo (t.e. la povumo de la baterio) kaj reŝargo (eblo de rapida reŝargo) estas pli granda, se la elektrodoj estas tre porhavaj. • Ekz-e por la grafito oni prenas ion kiel aktivan karbonon. La migrado de Li+ inter du gastigantoj unue estis nomata balancseĝo-principo. Pensante ke en grafito ankaŭ estas ionoj (kaj ne metala Li), Sony nomis la baterion Li-iona.

19. Funkcio de baterioj: • Mezuro de la kemia reagemo estas la kemia potencialo. Mezurite en elektraj unuoj (voltoj), oni nomas ĝin elektrokemia potencialo (redokspotencialo). • Litio havas la plej negativan potencialon (-3.05 V por Li  Li+). Subtrahante la potencialon ĉe la oksidelektrodo, oni povas facile atingi bateritension de pli ol 3,5 voltoj. • Eĉ 5 V estus atingeblaj. Sed super ĉ. 4 V ĉiu solvanto estas elektrolizata; akvo jam de ĉ. 1,3 (aŭ ~2) V. Pro tio Li-baterioj ne eltenas akvon. • Solvanto ĝis nun estas etilenkarbonato (organika, iom brulpova) kun aldonaĵoj. Patento ekzistas por uzo de iona solvanto, kiu ne povas boli. • Nun: La negativa elektrodo estas Li inter tavoloj de grafito, pozitiva el.: Li en LiCoO2 (Sony 1990) aŭ aliaj oksidoj; venanta: Li en FePO4 aŭ titanato. • Pliboniginda estas la disiga membrano. Ĝi devas esti maldika (por minimuma elektra rezisto), sed mekanike kaj terme (ĝis nun ĝis 60 °C) stabila. Patento por ceramike fortigita membrano. Dezirinda ankaŭ pli bona subpremado de tralaso de negativaj ionoj. • Sekureco estis multe plibonigata pasintece. Sed la alta energidenseco ĉiam restos ia risko. Litio estas la plej malpeza metalo. Bona antaŭkondiĉo por granda energidenseco (ekz-e kompare al plumbo). La ŝancoj estas parte malgajnitaj pro la akceptomaterialoj: Maso-rilato Li / LiC6 = 1 : 11. Ĉu pli altaj energidensecoj estas imageblaj? Brennstoffzellen Superkondens.

20. En eksperimentoj kun aliaj elektrodo-materialoj (ekz-e Fe3O4-partikloj en malmulte da grafittavoloj) oni atingis ĝis 5-fojan energidensecon. Aliaj ecoj ne jam konataj. Litio-aero-ĉelo: Uzas aeron kiel oksidanton. 5-foja energidenso kompare al aliaj Li-baterioj. Sed ĝis nur malofte reŝargebla. Funkci-principo estas parte la sama kiel en brulaĵĉeloj. Brulaĵĉeloj: Funkcias kiel baterioj, sed kun funkcimaterialoj replenigitaj de ekstere. Plej bone funkcianta: kun hidrogeno kaj oksigeno (aero). Pli komplikaj ol normalaj baterioj. Efikeco estas bona nur, se oni uzas grandan kvanton da katalizilo (plateno). Pli grandaj energidensoj eblaj ol ĉe baterioj. Atingodistancoj antendataj esti similaj ol ĉe brulaĵveturiloj. Hidrogeno (H2) ĝis nun estas produktata el tergaso: CH4 + H2O. Ĝis nun, la alternativo – akvoelektrolizo per sunelektro – tute ne povas konkuri.

21. brulaĵmotoro superkondensilo = duoblatavola kondensilo

22. Superkondensilo = duoblatavola kondensilo Se oni polusigas kondensilon per tensio sub la tensio de malŝargo de la ionoj, ionoj de unu ŝargo kolektiĝas sur la kontraŭe ŝargita elektrodo, formante tre maldikan, densan kaj izolantan tavolon. Unu elektrodo + izolanta tavolo + elektrolito = kondensilo. Por la elektrodoj oni denove uzas pororiĉan materialon, do kun tre granda surfaco. Dum tradicia kondensiloj havas kapacitojn ĝis kelkaj mikrofaradoj (µF), ĝis 1000 F nun eblas. La konservebla energio E/V (kWh/L)dependas de la tensio-rezisto u (kV/mm). BASF en 2003 postulis patenton, en kiu ili priskribas similan kondensilon, sed kun tavolo de 0,1 µm de bario-titanato (BaTiO3). Tiu materialo estas fero-elektra kaj havas tre grandan dielektran konstanton e. Tiu kondensilo, laŭ la pretendo, povas konservi 5,5 kWh/L, do ~55% de tiu de dizeloleo.

23. Plene elektraj aŭtoj: klimatoutilo? • Antaŭvidebla estonteco (~20 jaroj): • Estas aplikniĉoj: mallongdistancaj veturiloj • privataj: kiel dua aŭto aŭ motorciklo, • privataj: en malgrandaj landoj, kie oni preskaŭ ne veturas eksterlanden (Israelo), • publika transporto: aŭtobusoj (kun postveturilo). • Sed por iu klimatoefiko oni bezonus pli grandskalajn aplikojn. (Tamen ankaŭ malgrandaj kontribuoj estus bonvenaj.) • La klimatoutilo forte dependas de la maniero de elektroproduktado: • - En Ĉinio kun ĝiaj precipe karbaj (kaj ne efikaj) elektrocentraloj, e-aŭtoj malutilas al la klimato. • En Germanio kun ĝia „kurento-miksaĵo“ ili estas pli malpli klimatoneŭtralaj. • En Francio kun ĝia atomenergio ili estas klimatoutilaj. • Sed oni rimarku: Pli granda kaj grandskala CO2-ŝparado estas ebla per uzado de dizelaŭtoj kun konsumo de 2-3 L/100 km. Disvolvado estas mondvaste daŭrigata, kaj estas fascinaj ideoj, kiuj esperigas por la pli malproksima estonteco.