Sähköajoneuvoselvitys - Gallia
TUISKE Kajaanin ammattikorkeakoulu SELVITYSTYÖ SÄHKÖENERGIAN KÄYTTTÖMAHDOLLISUUKSISTA AJONEUVOISSA ______________________________________________________________________ 08.06.2010 Harri Honkanen SISÄLLYSLUETTELO 1 ALKUSANAT ................................................................................................................................. 4 2. TAUSTOJA JA TOTEAMUKSIA ................................................................................................ 5 2.1 VALTAKUNNALLISET TAVOITTEET ...................................................................................5 2.2 SÄHKÖAJONEUVOJEN YMPÄRISTÖYSTÄVÄLLISYYS .................................................... 6 2.3 SÄHKÖENERGIAN RIITTÄVYYS JA SIIRTO ........................................................................ 7 3. TEKNIIKKAA ............................................................................................................................... 8 3.1 ENERGIATIHEYDEN VERTAILU ........................................................................................... 8 3.2 SÄHKÖAJONEUVOTYYPIT.................................................................................................... 8 3.2.1 EV –Electric Vehicle ..................................................................................................... 8 3.2.2 PHEV - Plug-in hybrid electric vehicle .......................................................................... 8 3.2.3 HEV - Hybrid electric vehicle ......................................................................................... 8 3.2.4 Hybridiajoneuvotyypit .................................................................................................... 9 3.3 AKKUTEKNIIKKAA .............................................................................................................. 12 3.3.1 Sähkön varastointiin liittyviä käsitteitä:........................................................................ 12 3.3.2 Eri akkutekniikoiden vertailu ....................................................................................... 12 3.3.3 Lyijyakku .................................................................................................................... 14 3.3.4 Metallihybriakku ( NiHM ) ........................................................................................... 14 3.3.5 Litiumpohjaiset akut .................................................................................................... 14 3.3.6 Superkondensaattorit ................................................................................................... 15 3.4 AKUSTON VAATIMUKSET ERI AJONEUVOTYYPEISSÄ JA OLOSUHTEISSA ........................................ 16 3.4.1 EV –Sähköautot ............................................................................................................ 16 3.4.2 PHEV –Verkosta ladattavat hybridit ............................................................................ 16 3.4.3 HEV –Autonomiset hybridit ........................................................................................ 16 3.5 JARRUTUSENERGIAN TALTEENOTTO ........................................................................................... 16 3.6 OHJAAMON LÄMMITYS .............................................................................................................. 17 3.6.1 Lämmitys sähköllä ........................................................................................................ 17 3.6.2 Lämmitys polttonesteellä .............................................................................................. 18 3.6.3 Lämmön varastointi ( Lämpöakku ) ............................................................................. 18 4. SÄHKÖENERGIAN SOVELTUVUUS ERI AJONEUVOIHIN JA KÄYTTÖSOVELLUKSIIN ............................................................................................................ 19 4.1 KEVYET AJONEUVOT .......................................................................................................... 19 4.1.1 Sähköavusteiset polkupyörät ........................................................................................ 19 4.1.2 Sähkömopot ja moposkootterit ..................................................................................... 19 4.1.3 L6e –luokan ajoneuvot , kevyt nelipyörä ( ”mopoautot”) ............................................ 19 4.1.4 L7e –luokan ajoneuvot, nelipyörä ................................................................................. 20 4.2 HENKILÖAUTOT ................................................................................................................... 20 4.2.1 Sähköauto ( EV ) ......................................................................................................... 20 4.2.2 Hybridiauto ( HEV, PHEV ) ........................................................................................ 20 4.3 RASKAAT AJONEUVOT ....................................................................................................... 21 4.3.1 Linja-autot ................................................................................................................... 21 4.3.2 Tavara-autot ................................................................................................................ 22 4.4 TYÖKONEET.......................................................................................................................... 22 4.4.1 Yleistä työkoneiden tekniikasta..................................................................................... 22 4.4.2 Sähköenergian soveltuvuus eri työkoneisiin ................................................................. 22 5. YHTEISKUNNALLISIA NÄKÖKULMIA ................................................................................ 24 5.1 VEROTUS ............................................................................................................................... 24 5.1.1 Nykyinen verotus.......................................................................................................... 24 5.1.2 Verotus tulevaisuudessa ................................................................................................ 25 LÄHTEET ........................................................................................................................................ 25 1 ALKUSANAT Tässä selvitystyössä on selvitetty sähköenergian käyttömahdollisuuksia ajoneuvoissa. Selvityksessä on käsitelty kaikkia maakulkuneuvoja, mutta selvitys on rajattu tekniikkaan, jossa sähköenergia liikkuu ajoneuvon mukana, eli selvitys ei koske ajoneuvoja, joihin sähköenergia syötetään ajon aikana. Polttokennotekniikka ei ole mukana tässä selvityksessä, koska siinä sähkö tuotetaan ajoneuvossa polttokennon polttoaineesta. Selvityksessä on mukana myös hybriditekniikka niiltä osin, jossa hybriditekniikkaa käytetään jarrutusenergian talteenottoon. Selvitystyössä asioita on tarkasteltu kokonaisuuksina, jossa pääpaino on ympäristöystävällisyydessä, jota tarkasteltu energiatehokkuuden, päästöjen ja muun ympäristön kannalta. Suomen viileän ilmaston ja pitkien välimatkojen vaatimukset ovat tarkastelun toinen pääaihe. Myös taloudelliset reaaliteetit ovat tarkastelun aiheena. Tarkastelussa on otettu mukaan myös muut, kuin henkilökuljetukseen tarkoitetut ajoneuvot, mukaan lukien työkoneet. 2. TAUSTOJA JA TOTEAMUKSIA 2.1 VALTAKUNNALLISET TAVOITTEET TEM Mietintö 6.8.2009 : EU:n ilmastotavoitteiden mukaan Suomen tulee vähentää ei-päästökauppasektorin päästöjä yhteensä 16 prosentilla vuoteen 2020 mennessä verrattuna vuoden 2005 tasoon. Liikenne on osa ei-päästökauppasektoria. Kansallisen ilmasto- ja energiastrategian mukaan liikenteen päästöjä tulee vähentää 15 prosentilla. Vuoden 2050 tavoite on vähentää teollisuusmaiden kasvihuonekaasupäästöjä 60 80 % vuoden 1990 tasolta. Tavoitteet ovat liikennesektorille erittäin haastavia, sillä liikenteen kasvihuonekaasupäästöt ovat 1990-luvun alun lamavuosia sekä vallitsevaa taloudellista taantumajaksoa lukuun ottamatta jatkuvasti kasvaneet. Ilman uusia toimenpiteitä päästöjen oletetaan edelleen kasvavan noin puolella prosentilla/vuosi BKT:n jälleen kasvaessa. Haasteelliset päästövähennystavoitteet ovat suuresti lisänneet kiinnostusta sähköajoneuvojen kehittämiseen ja käyttöönottoon eri maissa. Sähkömoottorikäyttöjen hyötysuhde on huomattavasti parempi kuin perinteisten polttomoottorikäyttöjen, ja sähkökäyttöjen avulla regeneratiivinen jarrutus on mahdollista, joten niiden avulla voidaan tehokkaasti alentaa liikenteen energiankulutusta. Erityisen energiatehokkaita sähkömoottorikäytöt ovat kaupunkiliikenteessä. Sähköautot vähentävät myös liikenteen kasvihuonekaasupäästöjä etenkin tilanteessa, jossa sähköntuotantorakenne perustuu mahdollisimman vähähiilisiin vaihtoehtoihin. Vuoden 2020 päästötavoitteisiin nähden sähköajoneuvojen merkitys on kuitenkin vielä melko pieni. Vaikka sähköautojen osuus uusista myytävistä henkilö- ja pakettiautoista olisi tuolloin suurikin, suurin osa liikenteessä olevista autoista vuonna 2020 onkin vielä muita kuin sähkökäyttöisiä autoja. Pidemmällä aikavälillä tilanne muuttunee. Sähköajoneuvojen osuus esimerkiksi vuoden 2050 päästötavoitteiden saavuttamisessa lienee jo merkittävä. Paitsi energia- ja ilmastotavoitteiden saavuttamisessa, sähköajoneuvot voivat tulevaisuudessa auttaa myös liikenteen pääsemisessä eroon öljyriippuvaisuudesta sekä pakokaasupäästöjen ja melun vähentämisessä. [ 31 ] 2.2 SÄHKÖAJONEUVOJEN YMPÄRISTÖYSTÄVÄLLISYYS Sähköajoneuvojen ajonaikainen ympäristökuormitus riippuu ajoneuvon energiankulutuksen lisäksi sähkön tuotantotavasta. Kivihiilellä tuotettua sähköä käytettäessä kokonaishyötysuhde jää polttomoottoria huonommaksi, jolloin hiilidioksidipäästöt ovat polttomoottoria suuremmat. Myöskään hiilivapaat sähköntuottomuodot eivät ole ympäristöä kuormittamattomia, ydinvoimaloissa on ydinjäteongelma, tuulivoimaloissa melu- ja maisemaongelmia, sekä lisäksi tuulivoimalan lavat tappavat osan alueelle sattuvista linnuista, vesivoimala muuttaa joen virtauksen syklittäiseksi, estää kalojen luonnollisen vaelluksen ja säännöstellyt vesistöt hankaloittavat lintujen pesimistä ja säännöstelyn aiheuttama eroosio tuhoaa rantojen kasvustoa. Eri sähköntuottoenergioiden ympäristöystävällisyyden luokittelu riippuu voimakkaasti siitä, miten eri ympäristövaikutuksia painotetaan. Viime aikoina painotus on ollut ”hiilijalanjäljessä”, eli tuotetun hiilidioksidin määrässä suhteessa saatuun energiaan. Sähköenergian käyttö mahdollistaa huomattavasti laajemman energialähdevalikoiman, kuin polttomoottori, johon polttoaineeksi tarvitaan maaöljystä jalostettuja tuotteita tai peltoviljelyllä saatavasta öljystä jalostettuja tuotteita. Yhdyskuntajätteestä tehtävä biopolttoaine olisi kaikkien kannalta parasta, mutta jätteen määrä ei täysin hyödynnettynäkään riittäisi kuin murto-osaan nykyisestä tarpeesta. Lisäksi keräys ja jalostus vie energiaa ja jalostuslaitosten valmistaminen vie materiaalia ja energiaa. Sähköajoneuvojen tuottaminen vie enemmän materiaa ja energiaa, kuin polttomoottoriautojen. Lisäksi kierrätysjärjestelmät eivät luonnollisesti ole vielä yhtä kehittyneitä. Akkutekniikoista litium –pohjaiset akut ovat nykytekniikalla ominaisuuksilleen ylivoimaisia muihin akkutekniikoihin nähden. Tämä tarkoittaa jo litiumin riittävyyden kannaltakin katsoen tehokkaan litiumin kierrätysjärjestelmän järjestämistä. Yksi sähköauton etu kaupunkikäytössä on se, että energiatuotanto ei tapahdu kaupunkialueella, jolloin energiatuotannon päästöt eivät purkaudu kaupunkialueelle, kuten polttomoottoriautoilla tapahtuu. Yksi pohjolan kylmän ilmaston aikaansaamista ongelmista on ohjaamon lämmityksen tarve. Sähköauton kokonaishyötysuhde on niin hyvä, ettei merkittävää hukkalämpöä ohjaamon lämmittämiseksi synny, kuten polttomoottorilla. Ympäristöä vähän kuormittavalla sähköntuotantotavalla ladattu uuden akkutekniikan omaava sähköauto on selvästi nykyistä polttomoottoriautoa ympäristöystävällisempi. Valmistuksen ympäristöjalanjälki on polttomoottoriautoa suurempi, mutta käytönaikainen ympäristöjalanjälki selvästi pienempi jos uusille akuille luvattu kestoikä, yli 2000 toimintajaksoa, toteutuu myös käytännössä. Vanhemmalla akkutekniikalla toteutettuna, jolloin toimintajaksojen ( Lataus-purkaussykli ) määrä jää noin viiteensataan, on käytönaikainen ympäristöjalanjälki suurehko, eikä ole ainakaan merkittävästi pienempi, kuin nykyisten polttomoottoriautojen. 2.3 SÄHKÖENERGIAN RIITTÄVYYS JA SIIRTO Henkilöauton keskimääräinen ajomatka Suomessa on 45 km vuorokaudessa. Sähköauton energian kulutus suomen olosuhteissa on 0,15 –0,20 kWh / km. Tämä tarkoittaa noin 8 kWh energiankulutusta vuorokaudessa ( laskussa käytetty 17,8 kWh/km ) Suomen keskimääräinen sähkönkulutus vuositasolla on noin 9200 MW, kesäkuukausina noin 7500 MW ja kylminä talvikuukausina jopa 12 000 MW, vuorokautisen kulutusvaihteluvälin ollessa noin 2000 MW. [ 46 ] Jos koko henkilöautokanta olisi sähköautoja ( 2 miljoonaa kappaletta), joihin jokaiseen tarvittaisiin 8 kWh energiaa vuorokaudessa, tarkoittaisi tämä 8 tunnin latausajalla 1 kW lataustehoa ja kaikki kaksi miljoonaa ajoneuvoa tuolla latausteholla tarvitsisivat lataustehoa juuri tuon päivittäisen vaihteluvälin verran , eli 2000 MW. Yksi ladattavan sähköauton eduista on myös se, että ajoneuvojen lataus voidaan toteuttaa silloin, kun muu sähkönkulutus on pienimmillään. Sähkön vuosikulutus Suomessa on 80 .. 90 TWh ja edellä mainitut 2 miljoonaa sähköautoa 45 km vuorokausittaisella ajomatkalla tarkoittaisi noin 6 TWh:n energiankulutusta vuodessa. Eli se nostaisi kokonaissähkönkulusta vain noin 7%. Älykkäästi toteutettuna sähköajoneuvojen lataus ei lisää sähköverkon huippukuormitusta, eikä tällöin vaadi mitään muutoksia runkoverkkoon. Suomessa on kiinteistöissä valmiina sähköenergian syöttö ajoneuvoihin, lohkolämmittimille rakennettu syöttöverkko. Lohkolämmitinpistorasioista saatava nimellisteho on 2,3 kW ( 10A ) tai 3,6 kW ( 16A ). Lohkolämmittimien syöttöön tarkoitettujen pistorasioiden ryhmäsyöttö on kuitenkin toteutettu niin, ettei kaikkia pistorasioita ( kuten ei muitakaan sähkönsyöttöjä yleensä ) voi kuormittaa yhtäaikaisesti maksimiteholla. Saatava maksimiteho kaikki pistorasiat kuormitettuna on luokkaa 1 kW … 2 kW / pistorasia. Tämäkin on riittävä latausteho keskimääräisellä ajosuoritteella. [8] 3. TEKNIIKKAA 3.1 ENERGIATIHEYDEN VERTAILU Energiatiheydessä sähkön varastointitekniikka on vielä paljon jäljessä polttoaineiden energiasisältöön suhteutettuna. Dieselpolttoaineen energiasisältömassaan suhteutettuna on noin 85 -kertainen suhteessa litiumakkuihin. Mutta kun mukaan otetaan moottorin hyötysuhde, tilanne tasoittuu huomattavasti. Optimikuormitustilanteessa dieselin energiatiheyden etu kutistuu 33 –kertaiseksi ja osakuormituksella heikoimmillaan noin neljätoistakertaiseksi. Bensiinillä tämä suhteutettu energiatiheys on . 20% pienempi, kuin dieselillä. Diesel Bensiini Li-ion akku NiMh akku Wh/kg 12700 12200 150 0,35 0,3 0,9 100 0,9 Energiasisällön vertailu , osateho Energiasisällön vertailu, max hyötysuhde Energiasisällön vertailu Moottorin hyötysuhde pienillä tehoilla Moottorin max hyötysuhde Tyypillinen energiasisältö Taulukko 1, Eri energiamuotojen suhteellinen ja absoluuttinen energiatiheys [ ? ] 0,15 0,12 0,9 Suht 85 81 1,0 Suht 33 27 1 Suht 14 11 1 0,9 0,7 0,7 0,7 3.2 SÄHKÖAJONEUVOTYYPIT 3.2.1 EV – Electric Vehicle Puhdas sähköajoneuvo, toimii vain ja ainoastaan sähköllä. Päästöt riippuvat sähkön tuotantotavasta, sähkönsiirron ja -varastoinnin hyötysuhteesta ja valmistuksessa syntyvistä päästöistä. 3.2.2 PHEV - Plug-in hybrid electric vehicle Sähköverkosta ladattavissa oleva hybridi. Sähkömoottorin lisäksi myös toinen voimalähde, yleensä polttomoottori. Päästöt riippuvat sähkön tuotantotavan, sähkönsiirron ja -varastoinnin hyötysuhteen ja valmistuksessa syntyvistä päästöjen lisäksi myös toisen voimanlähteen ominaisuuksista ja niiden välisestä käyttösuhteesta. 3.2.3 HEV - Hybrid electric vehicle Autonominen hybridi, ei ulkoista latausmahdollisuutta. Autonomisessa hybridiajoneuvossa käyttöenergia saadaan toisesta voimanlähteestä, yleensä polttomoottorista. Sähkötekniikan tarkoituksena on kokonaishyötysuhteen parantaminen. Kokonaishyötysuhdetta parantaa mm. jarrutusenergian talteenotto ja sähkömoottorin käyttö pienillä kuormitustasoilla, jolloin polttomoottorin hyötysuhde olisi erittäin huono. 3.2.4 Hybridiajoneuvotyypit Sarjahybridi –Ei mekaanista yhteyttä polttomoottorin ja pyörien välillä, voimansiirto tapahtuu sähkön avulla Kuva 1, Sarjahybridi ( Toyota ) [ 37 ] Rinnakkaishybridi –Mekaaninen yhteys polttomoottorin ja pyörien välillä, generaattorimoottoripaketti rinnalla Kuva 2, Rinnakkaishybridi ( Toyota ) [ 37 ] Yhdistelmähybridi –Yhdistelmähybridi voi toimia tilanteen mukaan joko sarja- tai rinnakkaishybridinä Kuva 3, Yhdistelmähybridi ( Toyota ) [ 37 ] Kuva 4, Yhdistelmähybridin toiminta eri tilanteissa ( Toyota ) [ 36 ] 3.3 AKKUTEKNIIKKAA 3.3.1 Sähkön varastointiin liittyviä käsitteitä: • Akku – sähkövarasto, jossa energia varastoidaan kemiallisten reaktioiden avulla • Kondensaattori – sähköstaattinen energiavarasto. • Superkondensaattori eli ultrakondensaattori – sähkökemiallinen energiavarasto, jossa energiaa varastoidaan ionien liikkeen avulla • Nanosuperkondensaattori - superkondensaattori, jonka ominaisuuksia on parannettu siirtymällä nanomitan rakenteisiin 3.3.2 Eri akkutekniikoiden vertailu Akkujen ja superkondensaattoreiden tärkeimpiä ominaisuuksia: - Energiatiheys suhteessa massan - Energiatiheys suhteessa tilavuuteen - Virran vastaanotto- ja antokyky - Käyttöikä lataus-purkaussykleinä - Käyttöikä, vanhentuminen käyttämättömänä o Litiumakuissa valmistusvaiheessa jäänyt kosteus vanhentaa akkua - Latauksen ominaisuudet: o Sarjankytkentäominaisuudet o Latauksen valvonnan helppous - Turvallisuus vikatilanteissa - Muotoilun mahdollisuudet - Hinta Kuvassa x on vertailtu eri akkutekniikoiden energiatiheys suhteessa massaan [ Y –akselilla ] ja tilavuuteen [ X –akselilla ] Kuva 5, akkutekniikoiden energiatiheys suhteessa massaan ja tilavuuteen [ 3 ] [ 4 ] [ 14 ][ 15 ] Sähkökemiallinen jännitesarja: • Elektrodipotentiaali kuvaa eri metallien välille syntyvän sähkökemiallisen jännitteen suuruutta, vertailuarvona vety-ioni • Atomipaino kuvaa alkuaineen massaa suhteessa hiiliatomin massan ( Hiili-isotooppi 12C ) kahdestoistaosaan Taulukko 2, akuissa käytettävien elektrodimateriaalien ominaisuuksia [2][3][4][13][14][15][19] Elektrodi Elektrodipotentiaali V Atomipaino Litium Li - 3,02 6,94 Kalsium Ca - 2,76 40,01 Magnesium Mg - 2,34 24,31 Alumiini Al - 1,67 26,98 Sinkki Zn - 0,76 65,38 Rauta Fe - 0,44 55,85 Kadmium Cd - 0,40 112,4 Koboltti Co - 0,28 58,93 Nikkeli Ni - 0,24 58,69 Lyijy Pb - 0,13 207,2 Vety -ioni H2 Kupari Cu + 0,34 63,55 Kulta Au + 1,50 197,0 0 1,0 Elektrodimateriaalien vertailu antaa litiumille ylivoimaiset ominaisuudet muihin elektrodimateriaaleihin nähden, litium on sähköisesti negatiivisin metalli, joka mahdollistaa korkean kennojännitteen, lisäksi litium on kaikista kevein metalli ( alkuaine numero 3 ) 3.3.3 Lyijyakku Vanhin akkutyyppi. Erittäin huono kapasiteetti-massa –suhde. Erinomainen virrananto- ja vastaanottokyky. Ei kestä syväpurkausta. Heikohko syklinen kesto. Hyvä polttomoottorin käynnistysakkuna, mutta ei sähköauton energiavarastona. 3.3.4 Metallihybriakku ( NiHM ) Tyydyttävä kapasiteetti-massa –suhde. Uutena tyydyttävä virrananto- ja vastaanottokyky, heikkenee ikääntyessä. Kestää syväpurkauksen. Heikohko/tyydyttävä syklinen kesto. Kallis. Käytetään turvallisuussyistä vielä nykyisissä hybriautoissa, mutta ei sovellu sähköauton energiavarastoksi. 3.3.5 Litiumpohjaiset akut Taulukko 3, litiumpohjaisten akkujen ominaisuuksien vertailu [3][4][13][14] 15][19] [20] Energiatiheys (max) Kestoikä ( > 80% ) LiCoO2 LiNiCoMnO2 LiMn2O4 LiFePO4 Li4Ti5O12 Unit 180 100 170 130 100 Wh / kg 300 Virranantokyky Heikko 1*C Kennojännite 3,6 Latausjännite 4,2 Latausvirta Pienehkö 1*C Ylilatausjännitevara 0,1 Ylilataustilanne 800 500 2000 15 000 Tyydyttävä 2*C Suuri 15*C 3,5 3,7 3,2 V 4,35 4,3 3,7 (-4,2) V Keskisuuri 2*C Suuri 10*C 0,1 0,1 0,7 Räjähtää 4,9V / 3C Syttyy tuleen 8V / 3C Syttyy tuleen 8V / 3C Vioittuu 25V / 3C Turvallisuustaso Heikko Tyydyttävä Tyydyttävä Hyvä Materiaalien hinta Korkea Korkea Pienempi Pienempi Toiminta kylmässä Suuri 20*C Sykliä Suuri 20*C Heikohko 3.3.5.1 Litiumkoboltti- ja mangaanioksidiakut Vanhempaa litiumakkutekniikkaa. Yhteisinä ominaisuuksia hyvin rajoitettu virrananto- ja vastaanottokyky. Hyvä ominaiskapasiteetti. •Litiumkobolttiakku •Litiummangaanioksidiakku Maksimi Maksimi V •Litiumnikkelikobolttimangaanioksidiakku Yhteenvetona voi todeta, että nykymuodossaan nämä akut eivät ratkaise sähköauton energiansäilytysongelmaa. Heikko syklinen kesto ( = lyhyt käyttöikä ) yhdistettynä turvallisuusongelmiin ei mahdollista laajempaa käyttöä. Säilynee yleisimpänä akkutyyppinä kannettavissa laitteissa. 3.3.5.2 Litiumrautafosfaattiakku, LiFePO4 Litiumrautafosfaattiakku on, heikommasta ominaiskapasiteetistaan huolimatta, selvästi soveltuvampi ajoneuvokäyttöön, kuin litiumkoboltti tai –mangaanioksidikennot. Litiumrautafosfaattiakun virrananto ja –vastaanottokyky on erinomainen, myös akun turvallisuus on paljon parempi. Lisäksi syklinen kesto on monta kertaluokkaa parempi. Esimerkiksi akustolla, jonka toimintasäde on 150 km ja akuston ikä on ilmoituksen mukainen ( = vähintään 2000 sykliä ) , voisi yhdellä akustolla ajaa 300 000 km, eli käytännössä koko ajoneuvon käyttöiän. Sen sijaan sovelluksissa, joissa akku varataan ja tyhjennetään useita kertoja yhden päivän aikana ( esimerkiksi jarrutusenergian talteenotto raskaassa kalustossa ) akuston kestoikä ei enää ole riittävä. Litiumrautafosfaattiakun ominaisuuksia: • LiFePO4 on luotetavin Litium -ion katodimateriaaleista. Fe-P-O sidos on lujempi kuin CoOsidos. Joten jos sitä käytetään väärin, (oikosulku, ylilämpö, jne ) happiatomit ovat paljon vaikeampia poistaa sidoksesta. Tämä tasoittaa pelkistämisenergiaa. Vain erittäin kovassa lämmössä (yleensä yli 800 °C) alkaa vapautumista tapahtua. Rakenne ehkäisee lämpöryntäystä paremmin kuin mikään muu Litium-ion sidos. • Osittain ja täysin litiumioituneet LiFePO4 ionit ovat rakeentellisesti samanlaisia. Tämä tarkoittaa, että LiFePO4 kennot ovat rakenteellisesti vakaampia kuin muut Litium kennot. Täysin latautuneessa LiFePO4 kennossa katodissa ei ole litium-ioneja. Vastaavasti LiCoO2 kennossa n. 50% jää katodiin. LiFePO4 rakenne on erittäin vakaa happiatomien poistuessa, joka yleensä aiheuttaa eksotermisen reaktion muissa Litium -rakenteissa. • LiFePO4 akuilla on paljon laajempi ylijännitealue. Ne sietävät 0.7 V ylijännitteen niiden nimellisestä 3.4 voltin jännitteestä. Eksoterminen lämpö kemiallisesta reaktiosta, joka syntyy ylijännitelatauksessa on vain 90J/g LiFePO4 –akuissa. Esimerkiksi sama ylijännitelatauksessa syntynyt lämpö LiCoO2-akuissa on jo1600J/g ! Mitä enemmän syntyy eksotermistä lämpöä, sitä suurempi on mahdollisuus akun tulipaloon ja räjähdykseen. 3.3.5.3 Litiumtitanaattiakku, Li4Ti5O12 Litium-titanaattiakku hyödyntää superkondensaattoreissa käytettäviä rakenneratkaisuja, anodin pinta on valmistettu nanokiteistä, mikä nostaa sen aktiivisen pinta-alan poikkeuksellisen suureksi. Energian varastointi tapahtuu kuitenkin kemiallisesti. Kuvaavin lienee käsite SCiB, Super Charge Batteries Akun virrananto- ja ottokyky on erinomainen ( jopa 20*C ) ja kestävyydeksi ilmoitetaan 20 000 sykliä. Erinomaisen syklisen keston ansiosta akkutyyppi soveltuu myös kohteisiin, jossa varauspurkaussyklejä tapahtuu toistuvasti ( esimerkiksi jarrutusenergian talteenotto raskaassa kalustossa ). Ennakkotietojen mukaan varauskapasitetti massaan nähden on kuitenkin heikohko muihin Litium –pohjaisiin akkutekniikoihin nähden, mutta parempi kuin nykyisissä superkondensaattoreissa. Ominaisuudet, joita ovat hyvä syklinen kesto, virranantokyky ja vastaanottokyky, tekevät akkutyypistä erinomaisen jarrutusenergian vastaanottoon raskaimmissakin hybridiajoneuvoissa. Litiumtitanaattiakusta saatavissa olevat tiedot ovat vielä aika suppeita. [ 39 ] [ 40 ] 3.3.6 Superkondensaattorit Superkondensaattori eroaa perinteisestä kondensaattorista siinä, että perinteisessä kondensaattorissa energia varastoidaan sähkökenttään, kun superkondensaattorissa energia varastoidaan ionien liikkeen avulla. ”Perinteisten”kondensaattoreiden lataus-purkaussyklien määrä on lähes rajaton. Superkondensaattoreilla tilanne ei ole aivan sama, mutta syklinen kesto on luokkaa miljoonia, joten se on vähintään riittävä kaikkiin ajateltavissa oleviin sovelluksiin. Superkondensaattoreiden virran otto- ja antokyky on heikompi, kuin ”perinteisillä” kondensaattoreilla, mutta parempi tai vähintään yhtä hyvä, kuin parhaimmilla akkutekniikoilla. Käytön kannalta yksi merkittävä ero on se, että kondensaattorin jännite on riippuvainen varaustilasta. Akuissahan kennojännitteen muutos on pieni ( Varaustilan ollessa 10% .. 100% ), ja riippuu varaustilan lisäksi myös kuormituksesta ja lämpötilasta. 3.4 Akuston vaatimukset eri ajoneuvotyypeissä ja olosuhteissa 3.4.1 EV –Sähköautot Puhtaissa sähköautoissa tärkein ominaisuus on energiatiheys. Akusto on ajoneuvon massaan suhteutettuna suuri, joten heikommankin virranantokyvyn suuresta akusta on saatavissa riittävästi virtaa. Jarrutusenergian talteenottotilanteessa voidaan tällöin tarvita erillistä, ehkä superkondensaattoriin perustuvaa energiavarastoa. Myös käyttösyklien ( Varaus-Purkaus ) määrä jää hybrideihin nähden vähäiseksi, joten heikommankin syklisen keston omaavilla akuilla saavutetaan vuosien käyttöaika. Akuston suuresta koosta johtuen myös hinta on ratkaiseva valintaperuste. 3.4.2 PHEV – Verkosta ladattavat hybridit Tässä ajoneuvoluokassa akuston vaatimukset riippuvat pitkälti siitä, kumpi voimanlähde on ensisijainen. Polttomoottorin tuoman lisämassan ja koon vuoksi akuston koko ja massa on rajallisempi, kuin sähköautossa. Sähkökäyttöä painotettaessa akuston energiatiheys on tärkein ominaisuus. Jos sähkökäyttö on lähinnä lisäominaisuus, akuston virranotto- ja luovutuskyky, sekä syklinen kesto ovat tärkeimmät ominaisuudet. 3.4.3 HEV – Autonomiset hybridit Autonomisten hybridien luokkaan sisältyy myös raskaat ajoneuvot, joissa hybritekniikkaa käytetään jarrutusenergian talteenottoon. Akustolta vaadittavat ominaisuudet riippuvat akuston massasta suhteessa ajoneuvon massaan. Mitä pienempi akusto on suhteessa ajoneuvon massaan, sitä merkittävämmiksi akuston virranotto- ja luovutuskyky, sekä syklinen kesto tulevat. 3.5 Jarrutusenergian talteenotto Jarrutusenergian talteenottomahdollisuus on yksi sähköautotekniikan eduista. Jarrutusenergian talteenottoa tarkasteltaessa nojaudutaan kahteen yhtälöön. Jarrutuksessa syntyvä energia : Jarrutuksessa syntyvä hetkellinen teho: Kaavoissa: E = 12 mv 2 P = a*m*v m = Ajoneuvon massa v = Ajoneuvon nopeus tai lähtönopeus a = Kiihtyvyys ( = Hidastuvuus ) Esimerkkinä 1000 kg massainen ajoneuvo, joka jarrutetaan 100 km/h –nopeudesta ( = 27,8 m/s ) : Jarrutuksessa syntyvä kokonaisenergia : E = 12 mv 2 = 12 * 1000 kg * ( 27 ,8 ms ) 2 = 386 kJ = 0,11kWh Vastaava energiamäärä kuluu luonnollisesti kiihdytettäessä ajoneuvo takaisin samaan nopeuteen Hetkellinen jarrutusteho 10% :ssa jarrutuksessa ( Hidastuvuus 10%*1g=0,1*9,81 m/s² = 0,98m/s² ): P = a * m * v = 1 sm2 *1000kg * 27,8 ms = 27,8kW Jos akuston jännite on 400V, saadaan virraksi : I= P 27,8kW = = 70 A , U 400V jos akuston massa on 100 kg, akkukapasiteetilla 130Wh/kg, niin kapasiteetti tällöin 13 kWh, ja 400V akkujännitteellä kapasiteetti ( C ) on tällöin 32 Ah. Tuo 70A virta on tällöin 2,2*C. Virtahan olisi liian suuri litium-kobolttiakulle, sallitun rajoilla litium-mangaanioksidikenolle, mutta litiumrautafosfaattikennohan kestää vielä neljä kertaa suuremman virran ( 10*C ), mahdollistaen tässä toimintaympäristässä 0,4g:n hidastuvuuden 100 km/h nopeudesta. Käytännössä täyteen lastatun henkilöauton massa on lähempänä 2000kg:aa. Jos akuston massa olisi 200 kg, niin lopputulos on täysin edellä esitetyn kaltainen. Käytettäessä litiumrautafosfaattiakkuja puhtaan sähköauton tapauksessa akuston virran vastaanottokyky on riittävä jopa 0,4g hidastuvuuksissa. Hybridiautojen akusto on pienempi, jolloin saavutettavissa oleva hidastuvuus on 0,1g:n luokkaa 100km/h –nopeudessa, mutta nopeuden laskiessa maksimihidastuvuus sähköjarrulla kasvaa. ( Teho ja samalla virta pienenee suorassa suhteessa nopeuteen ). Raskaan kaluston tapauksessa energiat ovat suuria, 50 tonnin ajoneuvoyhdistelmän vastaavat luvut 80 km/h nopeudesta 0,1g:n hidastuvuudella ovat: - Kokonaisenergia: 12 MJ = 3,4 KWh - Huipputeho : 1,1 MW - Huippuvirta 400V akustossa: 2,8 kA ! Huippuvirta on hyvin suuri. Esimerkiksi 400V:n litiumrautafosfaattikennoston tulisi olla kapasiteetiltaan 280 Ah ( Imax = 10*C ). Akuston kapasiteettihan olisi tällöin 112 KWh, jonka massa olisi noin 860 kg. 3.6 Ohjaamon lämmitys Sähköajoneuvossa syntyvä hukkalämpö ei riitä ajoneuvon sisätilojen lämmittämiseen Suomessa. Työkoneissa hukkalämpö voisi olla riittävä, mutta pyöräkohtaisia napamoottoreita käytettäessä lämmön talteenotto ei ole käytännöllisesti järjestettävissä. Ohjaamon lämmitysjärjestelmä ei ole pelkästään mukavuuskysymys, vaan myös turvallisuusvaatimus, ikkunoiden huurteenpoisto vaatii kuivan ja lämpimän ilman puhaltamista lasipinnoille. Tyypillinen energiasisältö Taulukko 4, eri energialähteiden energiasisältö ( Wh / kg ) Diesel Bensiini Li-ion akku NiMh -akku Wh/kg 12700 12200 150 100 3.6.1 Lämmitys sähköllä Akkuun varatun sähköenergian käyttö ajoneuvon ohjaamon lämmitykseen on käyttökelpoista vain hyvin lyhyillä matkoilla, eli vain silloin, kun akussa on ylimäärin energiaa kuljettavaan matkaan nähden. Yhden polttonestekilon ( Bensiini tai diesel ) energiasisällön varaamiseksi tarvitaan noin 80kg litiumakustoa. 3.6.2 Lämmitys polttonesteellä Ohjaamon lämmöntarpeen toteuttamiseksi polttoneste on selvästi massatehokkain vaihtoehto. Yhden polttonestekilon energiasisällön korvaamiseksi tarvitaan noin 80 kg litiumakustoa. 3.6.2.1 Erillinen polttonestelämmitin Erillinen polttonestelämmitin voi käyttää hyvin erilaisia polttonesteitä lämmön tuottamiseksi. Tosin päästöjen minimointi vaatii optimoimaan lämmittimen tietyille polttoaineille. Erillisen polttoainelämmittimen etuna polttomoottoriin nähden on lisäksi se, että lämmöntuotto käynnistyy lähes välittömästi. 3.6.2.2 Polttomoottori Polttomoottorin hukkalämpöä voidaan käyttää tehokkaasti ohjaamon lämmittämiseen. Polttomoottorilla voidaan samalla toteuttaa varavoimanlähde akuston rinnalle. Polttomoottorin heikkouksina erilliseen polttoainelämmittimeen nähden ovat lämmöntuoton käynnistymisen hitaus ja rajatumpi polttoainevalikoima. 3.6.3 Lämmön varastointi ( Lämpöakku ) Lämpöakun toiminta perustuu faasinmuutostekniikkaan ( PCM , Phase Change Material ), eli lämpöenergiaa varataan olomuodon muutokseen nesteestä kiinteäksi. kuva 6, Faasinmuutoksen hyödyntäminen Parhaimmilla faasinmuutosmateriaaleilla on saavutettu faasinmuutosarvo 1 kWh / l ( 3,6 MJ / l ). Vertailuna mainittakoon, että vedellä, jonka ominaislämpökapasiteetti on suurimpia luonnossa esiintyviä, ominaislämpökapasiteetti 50 K:n lämpötilamuutoksessa on n. 60 Wh / l. Faasinmuutostekniikan lämmönvarastointikyky on pieni, jos sitä verrataan polttonesteisiin, joiden energiasisältö on noin 10 kWh / l, mutta selvästi suurempi, kuin akuissa, joissa saavutettu varastointikyky on parhaimmillaankin noin 300 W / l. Lämpöakkujen käyttöä tutkittiin laajalti 1990 –luvulla polttomoottoreiden esilämmittämiseksi ja moottorin lämpenemisnopeuden parantamiseksi. [ 20 ] [ 21 ] Hybridiautoissa moottorin seisonta-aikaiseen ohjaamon lämmittämiseen lämpöakut olisivat energiatehokas ratkaisu. Lämpöakun etunahan on se, että silloin, kun lämpöakku on ”normaalilla toiminta-alueellaan, eli latenttilämmön alueella, lämpöakun ja samalla polttomoottorin lämpötila pysyy vakiona. Lämpöakun avulla voitaisiin myös toteuttaa polttomoottorin esilämmitys ja nopeuttaa lämmöntuoton käynnistymistä. Energiatehokkain toteutus olisi se, että faasinmuutosmateriaali olisi sijoitettu polttomoottorin moottorilohkoon ja moottorilohko olisi lämpöeristetty. Moottorin jäähdytysjärjestelmä käynnistyy vasta, kun faasinmuutoslämpötila on ylitetty ( esim: Faasinmuutos 80°C ja jäähdytysjärjestelmän termostaatti 90°C) . Edellä esitetty järjestelmä olisi mahdollinen ja hyödyllinen myös polttomoottoriautossa, mutta varsinkin hybridiautossa siitä olisi paljon hyötyä, koska tällöin polttomoottorin lämpötila pysyisi vakiona myös käyttökatkojen aikana ,vaikka moottorista otetaan lämpöenergiaa ohjaamon lämmittämiseksi. Jäähdytysnesteeseen tai muuhun olomuotonsa säilyttävään materiaaliin lämpöenergiaa sidottaessahan lämpötila laskee siitä lämpöä otettaessa. Polttomoottorissahan hyötysuhde heikkenee ja päästöt lisääntyvät moottorin lämpötilan ollessa optimitoimintalämpötilaa alhaisempi. 4. SÄHKÖENERGIAN SOVELTUVUUS ERI AJONEUVOIHIN JA KÄYTTÖSOVELLUKSIIN 4.1 KEVYET AJONEUVOT 4.1.1 Sähköavusteiset polkupyörät Sähköavusteinen polkupyörä on nimensä mukaisesti polkupyörä, jossa sähkömoottori avustaa polkijaa. Moottori saa antaa voimaa vain, kun polkija polkee pyörää ( momentintunnistus ) ja nopeutta on alle 25 km/h. Moottorin teho saa olla maksimissaan 250 W. Sähköavustus nostaa pyörän massaa 7 .. 20 kg. Noin 12 kg lisämassalla voidaan saada avustus noin 80 km matkalle. Parhaissa malleissa on käytössä jarrutusenergian talteenotto. Sähköavusteisia polkupyöriä on ollut saatavissa muutamia vuosia, ja käyttäjäkokemukset ovat olleet hyvin positiivisia. 4.1.2 Sähkömopot ja moposkootterit Sähkömoposkoottereita on rekisteröity Suomessakin muutaman vuoden ajan. Mopot ovat tulleet Aasiasta ja niiden akkutekniikka on ollut vanhahtavaa, jolloin toimintamatkaksi on jäänyt vaatimattomat 50 km. Uudemmalla Litiumrautafosfaattiakkutekniikalla päästäisiin helposti noin 100 km:n toimintamatkaan. Ajo sähkömopolla on hyvin edullista, energian kulutus on pientä, eikä mitään veroluonteisia käyttövoimaan sidottuja veroja ole. Myöskään, umpiohjaamolla varustetuista ajoneuvoista poiketen, ohjaamon lämmitysongelmaakaan ei ole, näissähän ohjaamon lämmitysjärjestelmä on välttämätön ikkunoiden huurtumisen estämiseksi. 4.1.3 L6e –luokan ajoneuvot , kevyt nelipyörä ( ”mopoautot”) Nelipyöräinen moottorikäyttöinen ajoneuvo, jonka kuormittamaton massa on enintään 350 kg ilman sähköajoneuvon akkujen massaa ja jonka suurin rakenteellinen nopeus on enintään 45 kilometriä tunnissa. L6e-luokan ajoneuvon moottorin sylinteritilavuus on enintään 50 cm3, kun kyseessä on ottomoottori, tai suurin nettoteho enintään 4 kW, kun kyseessä on muu polttomoottori tai sähkömoottori. Tämä ajoneuvoluokka soveltuu erinomaisesti sähköautoiluun. L6e –luokan ajoneuvoilla ei ole käyttövoimaveroa, toimintasädevaatimus on henkilöautoa pienempi ja akuston massaa ei lueta mukaan ajoneuvon massaa määritettäessä. Tehorajoituksen vuoksi akuston massa ei kuitenkaan voi olla kovin suuri, käytännön maksimi lienee 100 kg. 4.1.4 L7e –luokan ajoneuvot, nelipyörä Nelipyöräinen moottorikäyttöinen ajoneuvo, jonka kuormittamaton massa on enintään 400 kg tai tavarankuljetusajoneuvon osalta enintään 550 kg, sähköajoneuvon kyseessä ollessa kummassakin tapauksessa lukuun ottamatta akkujen massaa, ja jonka moottorin suurin nettoteho on enintään 15 kW. Sähkökäyttöisen nelipyörän autovero on 12,2% yleisestä jälleenmyyntiarvosta. Tämä ajoneuvoluokka soveltuu erinomaisesti sähköautoiluun. L7e –luokan ajoneuvoilla ei ole käyttövoimaveroa, toimintasädevaatimus on henkilöautoa pienempi ja akuston massaa ei lueta mukaan ajoneuvon massaa määritettäessä. Selvästi L6e –luokkaa suuremman maksimitehonsa ansiosta myös akusto voi olla suurempi. Käyttövoimaverotus on muutostyön alla, joten verotusperusteet voivat muuttua. Kuva 7: Sanifer –sähköauto, jota valmistetaan L6e ja L7e –luokkiin ( Sanifer ) [ 45 ] 4.2 HENKILÖAUTOT 4.2.1 Sähköauto ( EV ) ”Puhtaan”sähköauton ( EV = Electric Vehicle ) liikuttamiseen käytetään pelkästään sähköenergiaa. Ohjaamon lämmitysjärjestelmää tämä luokittelu ei määritä. Käytössä olevalla Litium –pohjaisella akkutekniikalla akustolla, jonka massa on n. 200 kg, ja sen energiasisältö on n. 25 kWh, saavutetaan Suomen olosuhteissa perheautolla 100 - 200 km toimintamatka riippuen olosuhteista . Akuston hinta on 10 k€-luokkaa. [ 32 ] Suomen välimatkoihin suhteutettuna lyhyehkö toimintasäde yhdistettynä ohjaamon lämmitystarpeeseen ei useimmissa tapauksissa mahdollista polttomoottoriauton korvaamista sähköautolla. Kahden ( uudehkon ) auton talouksissa toisen auton korvaaminen sähköautolla sen sijaan olisi useimmiten mahdollista. 4.2.2 Hybridiauto ( HEV, PHEV ) Hybridiautossa on useampi voimanlähde. Tässä selvityksessä keskitytään ratkaisuun, jossa on poltto- ja sähkömoottori, sekä akusto. HEV ( Hybrid Electric Vehicle ) , autonominen hybridi, saa kaiken energiansa polttomoottorista, eli akkua ladataan vain polttomoottorilla ja jarrutusenergialla. PHEV ( Plug-in Hybrid Electric Vehicle ) , verkosta ladattava hybridi, akkua voidaan ladata myös sähköverkosta. Verkosta ladattava hybridi ( PHEV ) on nykysäännöksillä kokonaismassaan sidotun käyttövoimaveron alainen. Tämä tekee PHEV:t Suomessa kannattamattomiksi. Toivottavasti uusimmassa verolinjauksessa käyttövoimaveron määräytymisperustetta PHEV –ajoneuvojen osalta muutetaan vastaamaan paremmin käyttösuhdetta vastaavaksi, esimerkiksi käyttämällä verotuksen perusteena akuston varauskapasiteettia. Hybridiautot luokitellaan myös voimansiirtoratkaisun mukaisesti, selvitys osiossa 3.4.2. Rinnakkaishybridi –Mekaaninen yhteys polttomoottorin ja pyörien välillä, generaattorimoottoripaketti rinnalla Sarjahybridi –Ei mekaanista yhteyttä polttomoottorin ja pyörien välillä, voimansiirto tapahtuu sähkön avulla Yhdistelmähybridi –Yhdistelmähybridi voi toimia tilanteen mukaan joko sarja- tai rinnakkaishybridinä Käytettävän voimansiirtoratkaisun optimaalisuus riippuu pitkälti siitä, mikä voimanlähde on ensisijainen voimanlähde. Polttomoottoria käytettäessä rinnakkaishybridin mekaanisen voimansiirron häviöt ovat pienemmät, kuin sarjahybridin generaattori-sähkömoottoriketjun. Lisäksi poltto- ja sähkömoottori voivat toimia yhtä aikaa, jolloin saavutetaan suurempi kokonaisteho. Sähkömoottoria käytettäessä mekaanisen voimansiirron häviöt ovat turhia, koska moottorit voitaisiin tällöin sijoittaa suoraan pyörännapoihin, jolloin mekaanisilta häviöiltä vältyttäisiin lähes kokonaan. Lisäksi pyöräkohtaisia moottoreita käytettäessä saavutetaan parempi hyötysuhde jarrutusenergian talteenotossa ( Kaikilla pyörillä oma moottori ). Samalla saadaan kaikki pyörät vetämään. Myös polttomoottoria käytettäessä sarjahybridissä on yksi etu, polttomoottori voi toimia koko ajan optimaalisella kierros- ja kuormitusalueella, vaikkakin voimansiirron kokonaishäviöt ovat suuremmat. Yhdistelmähybridissä poltto- ja sähkömoottori voivat toimia rinnan tai sarjassa. Tällä saavutetaan monia etuja, mutta myös haittoja on. Etuina mm. seuraavat: polttomoottori voi toimia koko ajan optimaalisella kierros- ja kuormitusalueella, sekä se, että poltto- ja sähkömoottori voivat toimia yhtä aikaa, jolloin saavutetaan suurempi kokonaisteho. Haittojakin on, mm. seuraavat: Mekaanisen voimansiirron tuoma lisämassa verrattuna sarjahybridiin, voiman välittäminen kaikkiin pyöriin ja samalla jarrutusenergian talteenotto kaikista pyöristä mekaanisesti hankalaa, kallista ja painavaa. Viimeiseksi mainitut ongelmat voidaan eliminoida käyttämällä erillisiä napamoottoreita niiden akseleiden pyörillä, minne mekaanista vetoa ei välitetä. Autonomisen hybridin edut polttomoottoriautoon tasaisessa maastossa tasaisella matkanopeudella ovat hyvin vähäiset, lisämassan vuoksi hyöty voi jäädä negatiiviseksi, mutta mitä vaihtelevammaksi ajo-olosuhteet muuttuvat, sitä enemmän hybriditekniikasta on hyötyä. 4.3 RASKAAT AJONEUVOT Raskaissa ajoneuvoissa käytettävät energiat ovat suuria ja päivittäinen käyttöaika on suuri. Tämä johtaa siihen, että hybriditekniikan akuille tulee kymmeniä lataus-purkaussyklejä vuorokauden aikana. Käyttöön soveltuvat vain hyvin pitkäikäiset akkutyypit tai superkondensaattorit. Lisäksi virrananto- ja vastaanottokykyjen tulee olla suuret. 4.3.1 Linja-autot Puhtaan sähköbussin tulevaisuus vaatii nykyistä tehokkaampaa sähköenergian tallennustiheyttä tai käyttöaikasuhteen muuttamista. Yhden työvuoron aikana ajettava matka yhdellä latauksella ei vielä onnistu. Toisaalta, riittävän lataustehon latausasemalla nopeasti ladattavat akut ( Litiumrautafosfatti- tai litiumtitanaattiakut ) saadaan täyteen noin puolen tunnin latauksella ( 90%:sti täyteen 15 minuutissa ) , joten sopivasti ajoreittejä ja aikatauluja rukkaamalla sähkökäyttöiset bussit olisivat nykytekniikallakin käyttökelpoisia. Hybriditekniikkaa busseissa on jo menestyksellisesti kokeiltu. Mitä vaihtelevammat ajoolosuhteet ovat, sitä suuremmaksi hybriditekniikan hyödyt nousevat. Matkavoittoisessa ajossa rinnakkaishybridin hyötysuhde on parempi, mutta erittäin vaihtelevassa kaupunkiajossa sarjahybridi vie voiton taloudellisuudessa. Energian säästöksi on parhaimmillaan saatu 30% [ 38 ] 4.3.2 Tavara-autot Tavara-autojen suuren massan ja pitkien ajomatkojen vuoksi puhdas sähkötavara-auto ei ole nykyisellä sähköenergian pakkaustiheydellä mahdollinen. Sen sijaan hybriditekniikalla saavutetaan merkittävää polttoaineensäästöä vaihtelevassa ajossa. Lisäksi napamoottoreiden avulla voitaisiin parantaa ajoneuvon etenemiskykyä ja hallittavuutta liukkailla keleillä. Jarrutusenergian talteenottoa ja siinä käytettävän akuston ominaisuuksia on tarkasteltu tarkemmin osiossa 3.5 4.4 TYÖKONEET 4.4.1 Yleistä työkoneiden tekniikasta Polttomoottorilla toimivien työkoneiden voimansiirto on toteutettu joko mekaanisesti tai hydraulisesti. Työkoneet, joiden pääasiallinen käyttö on ajo, on toteutettu mekaanisella voimansiirrolla. Työkoneet, joiden pääasiallinen käyttö on muuta, kuin ajoa, on useimmiten toteutettu hydrostaattisesti, jolloin pyörissä on hydraulimoottorit. Hydrostaattisen voimansiirron hyötysuhde on heikko, mutta vastaavasti kaikkiin akseleihin toteutettu mekaaninen voimansiirto on kallis ja painava. Puomien ja muiden toimilaitteiden käyttövoimana on käytetty perinteisesti hydrauliikkaa. Hydrauliikan voima on otettu suoraan polttomooottorilta, eikä se huomioi hydrauliikan tehontarvetta. Hydrauliikan korvaaminen sähköisellä ratkaisulla ( sähkömoottori -kierretankoratkaisu ) ei näytä todennäköiseltä. Sähköinen ratkaisu on painavampi ja antaa huonomman ohjausvasteen. Automatisoiduissa ratkaisuissa sähköinen ratkaisu helpottaisi automatisointia. Hydraulipumpun sähkökäyttö antaisi mahdollisuuden säätää hydrauliikan tuottoa ja painetta tarpeen mukaan. 4.4.1.1 Mekaanisella voimansiirrolla toteutetut ratkaisut Mekaaninen voimansiirto säilynee, paremman hyötysuhteensa vuoksi, ajokoneissa jatkossakin. Hybriditekniikka on tällöin rinnakkais- tai yhdistelmähybridi. Sarjahybridissä ei olisi mitään järkeä käyttää mekaanista voimansiirtoa. 4.4.1.2 Sähköisellä voimansiirrolla toteutetut ratkaisut Sähköisellä voimansiirrolla voidaan korvata hydrostaattinen voimansiirto. Rakenne on tällöin sarjahybridi. Sähköjärjestelmän kokonaishyötysuhde on paljon parempi, kuin hydrostaattisen. Sähköiset napamoottorit ovat kuitenkin painavampia ja kalliimpia, kuin vastaavat hydraulimoottorit. 4.4.2 Sähköenergian soveltuvuus eri työkoneisiin 4.4.2.1 Maataloustyökoneet Maatalouskoneiden käyttö on syklistä, eli silloin kun on tarve, ovat laitteet ajossa lähes vuorokauden ympäri. Lisäksi käyttö on hyvin raskasta, eikä paluuenergiaa jarrutuksista tai alamäistä ole saatavissa. Näiden syiden vuoksi valtaosassa maataloustyökoneista sähkö- tai hybriditekniikalla ei ole saatavissa mitään etua. Mutta poikkeuksiakin on. Navetoiden sisäisessä käytössä olevat pienkuormaajien käyttöaika on kerrallaan lyhyehkö, joten ne olisivat korvattavissa sähkökäyttöisillä. Ja mikä tärkeintä, sisään tulevilta pakokaasuilta vältyttäisiin täysin. 4.4.2.2 Metsätyökoneet Metsätyökoneissa latausmahdollisuudet ovat olemattomat, joten ainoaksi vaihtoehdoksi jää autonominen hybridi. Ajotilanteessa hybridin edut tulevat esiin mäkisessä maastossa, jolloin alamäissä on hyödynnettävää jarrutusenergiaa. Hydrostaattinen voimansiirto voidaan korvata sähköisellä, jolloin hyötysuhde paranee. Hydrauliikan tehonkulutusta voidaan pienentää käyttämällä hydraulipumpun pyöritykseen sähkömoottoria, jolloin pumpun teho on säädettävissä tarpeen mukaiseksi. Kuva 8: El-forest sarjahybriditekniikalla toteutettu metsätraktori [ 44 ] 4.4.2.3 Kaivosajoneuvot Kaivosajoneuvoissa sähköenergian haluttavuutta lisää energian hinnan lisäksi myös pakokaasuttomuus. Ongelmana on erittäin suuri energian tarve, painavaa kiviainesta ajetaan ylämäkeen. Koska käytettävät energiat ovat suuria ja päivittäinen käyttöaika on suuri, tämä johtaa siihen, että hybriditekniikan akuille tulee kymmeniä lataus-purkaussyklejä vuorokauden aikana. Käyttöön soveltuvat vain hyvin pitkäikäiset akkutyypit, latauspurkaussyklien keston tulee olla suuri. Kaivoskäytössä kaivokseen laskeuduttaessa on merkittävä energiamäärä saatavissa. Esimerkiksi 50 t painavan kaivoskuormurin ( Dumpperi ) laskeutuminen 50 m synnyttää energiaa 6,8 kWh [ = 24,5 MJ ]. E = m * h * g = 50t * 50m * 9,81 sm2 = 24,5MJ = 6,8kWh Jyrkkyydestä, tasaisuudesta, rengaspaineista ja muista vaikuttavista tekijöistä johtuen häviöt vaihtelevat. Jos laskemme häviöiksi 30% , saatavissa oleva sähköenergiamäärä olisi noin 4,8 kWh. Tämä vaatii akkumassaa n. 40 kg ( LiFePO4 ), eli tarvittava akkumassa on näissä yhteyksissä merkityksettömän pieni. Kaivosdumppereiden kantavuus on noin puolitoistakertainen omamassaansa nähden. Tämähän tarkoittaa sitä, että ajoneuvon massa ylöspäin mentäessä on 2,5 –kertainen. Samoilla häviöillä laskettuna energiatarve nousussa on jo 24,3 kWh [ 87,5 MJ ]. Esimerkkitapauksessa olisi saavutettavissa noin 20 % polttoainesäästö ja samalla samansuuruinen vähennys pakokaasupäästöihin. 4.4.2.4 Maansiirtokoneet Maansiirtokoneissa sarjahybriditekniikalla hydrostaattinen veto voidaan korvata sähköisellä, jolloin voimansiirron hyötysuhde paranee ja voidaan ottaa talteen jarrutusenergiaa. Mekaanisella voimansiirrolla toteutettuihin laitteiden kokonaishyötysuhdetta voidaan parantaa rinnakkaishybriditekniikalla. Hybriditekniikan etu tulee vaihtelevassa ajossa, jolloin voidaan varastoida jarrutusenergiaa. Kuva 9. Hybriditekniikkaa pyöräkuormaajassa, Rinnakkaishybridi, VOLVO L220F ( VOLVO ) [43] 5. YHTEISKUNNALLISIA NÄKÖKULMIA 5.1 VEROTUS 5.1.1 Nykyinen verotus - Verotus muodostuu useasta erillisestä verosta: o Moottoripolttoaineiden valmistevero § Moottoribensiinistä, dieselöljystä sekä kevyestä että raskaasta polttoöljystä kannetaan valmisteveroa nestemäisten polttoaineiden valmisteverosta annetun lain (1472/94) perusteella. Niin sanotun korvaavuusperiaatteen mukaisesti veronalaisia ovat myös muut tuotteet, joita käytetään moottoripolttoaineena. Moottoribensiinin vero on siten suoritettava ottomoottorissa käytettäväksi luovutetusta polttoaineesta, esimerkiksi moottoripetrolista, kaasutinspriistä, bioja erikoispolttoaineista. Samoin dieselöljynä verotetaan myös varsinaisen dieselöljyn lisäksi muut dieselmoottoreissa käytettävät polttoaineet. Vastaavasti kevyen tai raskaan polttoöljyn vero suoritetaan muista lämmitykseen käytetyistä mineraaliöljyistä ja hiilivedyistä. Moottoribensiinin ja dieselöljyn vero on porrastettu tuotteen ympäristöystävällisyyden perusteella. [ 30 ] o Hankintavero § Henkilö- ja pakettiautoilla o Perusvero ( ent. käyttömaksu ) § Henkilö- ja pakettiautoilla § Hiilidioksidipäästöperustainen o Käyttövoimavero § Autoille, joiden käyttövoima ei ole bensiini § Biokaasu ja häkäpönttöautot vapautettu toistaiseksi § Sähköautot ja verkosta ladattavat hybridit kuuluvat käyttövoimaveron piiriin o Arvonlisävero § Arvonlisävero peritään myös veroista ja veroluontoisista maksuista 5.1.2 Verotus tulevaisuudessa Yhteiskunnalliset reaaliteetit eivät juurikaan anna mahdollisuutta keventää liikenteen kokonaisverotusta. Sähköajoneuvojen käytön yleistyessä, verokertymän säilyttämiseksi, on odotettavissa veroratkaisuja, jotka mahdollistavat käytön aikaisen verottamisen. Käyttövoimaverohan nykymuodossaan perustuu kokonaismassaan. Varsinkin verkosta ladattavien hybridien tapauksessa vero on hyvin epäoikeudenmukainen, koska sähköllä ajettavissa oleva matka on aika vaatimaton. Toimintasäde- tai akkukapasiteettipohjainen vero olisi oikeudenmukaisempi ja mahdollistaisi myös verkosta ladattavien hybridien yleistymisen. Sähköajoneuvon käytönaikainen verotus on paljon vaikeampaa, kuin polttomoottoriautojen. Moottoripolttoaineissahan käytön verotus on toteutettu polttoaineen valmisteveron avulla. Polttoaineen valmisteveron etunahan on ollut se, että vero maksetaan käytetyn polttoainemäärän mukaisesti, jolloin vero kohdistuu suorassa suhteessa hiilidioksidipäästöihin. Sähköauton verotus käytön ( =kulutuksen ) mukaan on vaikeampaa. Sähköä ei voi ”veromerkitä” esimerkiksi väriaineella, kuten nestemäistä polttoainetta. Käytönaikaisessa verotuksessa verotusperusteena voidaan käyttää ajettuja kilometrejä tai kulutettua energiaa: - Verotus ajokilometrien mukaan: o Ajomatkamittari ( matkamittarin lukema ) § Helppo toteuttaa § Luenta ongelmallista ( Katsastuksen/omistajanvaihdon yhteydessä ? ) § Vikatapauksissa veron määritys vaikeaa o Seuranta satelliittipaikannuksen avulla: § Kallis toteuttaa § Mahdollistaa veron kohdentamisen ajankohdan ja paikan mukaan § Seurantalaite –Perustuslaillinen kysymys, onko ollenkaan hyväksyttävää ? § Tiedonkeräys ? , keskitetysti vai seurantalaitteeseen ? -> Kilometripohjainen veromalli ei huomioi energiankulutusta ! - Verotus käytetyn energian mukaan: o Energian mittaus ajoneuvossa ( Sinetöity energiamittalaite ) § Kallis toteuttaa § Kaukoluettava ? o Energian mittaus latausasemilla § Latausinfrastruktuuri kallis toteuttaa § Hankalasti valvottavissa LÄHTEET Selvitystyössä on käytetty seuraavista lähteistä saatuja tietoja Internetlähteet: 1. http://www.lvm.fi/web/fi/tiedote/view/1091138 2. http://www.ptable.com/?lang=fi 3. http://www.realforce.com.cn/docc/productsclass-50.html 4. http://fi.wikipedia.org/wiki/Akku#cite_note-14 5. http://www.microchip.com/stellent/idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&nodeId=1478 6. http://www.st.com/stonline/domains/applications/automotive/electricvehicles/motionactuation/ hev-ev.htm 7. http://www.linear.com/pc/productDetail.jsp?navId=H0,C1,C1003,C1037,C1134,P86662 8. http://www.technologydynamicsinc.com/galvanically.php 9. http://www.planetanalog.com/features/showArticle.jhtml?articleID=199700995 10. http://www.pdfgeni.com/book/three-phase-PFC-buck-converter-pdf.html 11. http://www.fairchildsemi.com/products/power_supply/index.html 12. http://www.nxp.com/documents/application_note/APPCHP2.pdf 13. http://en.wikipedia.org/wiki/Lithium_ion_battery 14. http://en.wikipedia.org/wiki/Lithium_iron_phosphate_battery 15. http://electronic-components.globalspec.com/datasheets/3211/RealForceEnetrprises 16. http://www.realforce.com.cn/docc/productsinfo.php?id=155 17. http://www.smps.us/smpsdesign.html 18. http://fi.wikipedia.org/wiki/S%C3%A4hk%C3%B6auto 19. http://evsearch.net/links/battery-lithium-iron-phosphate-lifepo4.html 20. http://www.electrochem.org/meetings/scheduler/abstracts/213/0144.pdf 21. http://www.tsr.fi/files/TietokantaTutkittu/2006/106139Loppuraportti.pdf 22. http://www.vtt.fi/inf/pdf/tiedotteet/2003/T2199.pdf 23. http://virtual.vtt.fi/virtual/proj6/fits/julkaisut/hanke7/Ajoneuvoissa_kaytettavien_tieto_ja_viestinta.pdf 24. https://publications.theseus.fi/bitstream/handle/10024/3555/raskaank.pdf?sequence=1 25. http://www.el-forest.se/system/visa.asp?HID=799&FID=781&HSID=13271 26. http://en.wikipedia.org/wiki/Hybrid_electric_bus 27. http://en.wikibooks.org/wiki/Electric_Vehicle_Conversion 28. http://www.greencarcongress.com/ 29. http://escholarship.org/uc/item/0xt3p225 30. http://www.vm.fi/vm/fi/10_verotus/05_valmisteverotus/06_nestemaisten_polttoaineiden_valmi stevero/index.jsp 31. http://www.tem.fi/files/24145/sahkoajoneuvotyoryhman_mietinto_090806_lopullinen.pdf 32. http://www.tem.fi/files/24099/Sahkoajoneuvot_Suomessa-selvitys.pdf 33. http://www.ake.fi/ake 34. http://www.ake.fi/AKE/Katsastus_ja_ajoneuvotekniikka/Ajoneuvoluokat/Kolmi+ja+nelipy%C3%B6r%C3%A4+sek%C3%A4+kevyt+nelipy%C3%B6r%C3%A4.htm 35. http://www.ake.fi/ake/verotus/autovero/autovero+suomessa/ajoneuvojen+luokittelu+ja+eri+ajo neuvoluokkien+ja+-ryhmien+autoveroasema.htm 36. http://www.toyoland.com/prius/gen2.html 37. http://www.hybridsynergydrive.com/en/mechanism.html 38. http://www.kabus.fi/tuotteet/kabus-hybridilinja-auto 39. http://www.google.com/patents/about?id=B6oFAAAAEBAJ&dq=7,181,427&ie=ISO-8859-1 40. http://www.greencarcongress.com/2010/04/lioncap-20100416.html 41. http://techon.nikkeibp.co.jp/english/NEWS_EN/20100415/181879/ 42. http://www.americanelements.com/litioxnp.html 43. http://www.volvo.com/NR/rdonlyres/91EA860E-8821-4398-AED623F3DD96D381/0/Volvo_hybrid_hjullastare_entreprenadmaskiner.pdf 44. http://www.el-forest.se/system/visa.asp?FID=781&HID=799&HSID=13287&ActMenu=15260 45. http://www.amcmotors.fi/uploads/files/sanifer_minicar_L6e.pdf 46. http://www.fingrid.fi/portal/suomeksi/sahkomarkkinat/sahkon_kulutus_ja_tuotanto/
© Copyright 2024