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/