Maailma muuttuu ja autot sen mukana. Liikenteen energia ja ympäristöhaasteet. AKL:n 40. Autokauppiaspäivät Nils Olof Nylund, VTT

Transkriptio

1 Maailma muuttuu ja autot sen mukana Liikenteen energia ja ympäristöhaasteet AKL:n 40. Autokauppiaspäivät Nils Olof Nylund, VTT

2 2 Liikenteen sopeuttaminen kestävään kehitykseen Tieliikenteen sopeuttaminen kestävään kehitykseen IEA Renewable Energy Technology Deployment 2010 Liikennesektorin kasvihuonekaasupäästöjen ja öljyriippuvuuden vähentämiseksi liikennesektorilla ja sen energiajärjestelmissä tarvitaan todellinen muutos. Muutoksen pääelementit ovat: ajoneuvojen energiantarpeen vähentäminen siirtyminen vähähiilisiin tai hiilineutraaleihin energiamuotoihin siirtyminen energiatehokkaampiin tai vähähiilisiin kuljetusmuotoihin liikenteen kysynnän kasvun taittaminen

3 3 Nykyaikainen henkilöauto on: luotettava mukava suorituskykyinen turvallinen säänneltyjen päästöjen osalta vähäpäästöinen Henkilöautojen kehitystilanne Mitä voidaan parantaa henkilöautojen osalta? energiatehokkuutta kykyä hyödyntää uusiutuvaa tai CO2 neutraalia energiaa ajoneuvojen järkevää käyttöä!

4 4 Aikaperspektiivejä 2020 on kohta täällä! Autoalan koulutusohjelmien muuttaminen esim. varautuminen uuteen ajoneuvotekniikkaan 5 6 vuotta ( ) Uusi automalli kehitys 3 vuotta ( ) mallin tuotantojakso päivityksineen n. 7 vuotta ( ) Autojen romutusikä Suomessa 18 vuotta vuonna 2010 ostetulla autolla ajetaan vielä 2027 EU:n energia ja ympäristötavoitteet vuodelle % uusiutuvaa energiaa liikenteessä (päätetty, pakollinen) uusien henkilöautojen keskimääräinen CO2 päästö 95 g/km (alustava tavoite) Kuvat Rolf Hagman

5 5 Henkilöautojen CO 2 päästöt EU 2020: 95 g/km Lähde: ICCT 2007

6 6 Aikaperspektiivejä Keskipitkä aikaväli 2030 esim. kansainvälisen energiajärjestön IEA:n World Energy Outlook aikajakso vuoteen 2030 Pitkä aikaväli 2050 EU:n pitkän aikavälin ilmastotavoitteet CO2 80 % Valtioneuvoston tulevaisuusselonteko ilmasto ja energiapolitiikasta IEA:n Energy Technology Perspectives: Scenarios & Strategies to 2050 IEA:n, Kansainvälisen Autoliiton, International Transport Forumin (OECD) ja UNEP:in (YK) yhteinen 50 by 50 Global Fuel Economy Initiative

7 7 Öljyn tuotannon näkymiä vuoteen 2030 Kysyntä kasvaa, tuotanto vaikeutuu! tarvittava uusi tuotanto nykyisin tuotannossa olevat kentät Lähde: IEA WEO 2009

8 Öljyn hintakehitys 8

9 9 Millä vuoden 2050 päästövähenemät saadaan aikaan? IEA ETP 2008 kustannukset lisääntyvät! kustannukset vähentyvät!

10 10 50 by 50 Global Fuel Economy Initiative Henkilöautokannan polttoaineen kulutuksen puolittaminen vuoteen 2050 mennessä Hankkeen takana kansainvälinen autoliitto FIA kansainvälinen energiajärjestö IEA International Transport Forum (OECD) UNEP (YK)

11 50 by 50 tavoitteet 11

12 TRANSPORT, ENERGY BLUE: advanced technologies must play a major role Unprecedented rates of change in market penetration of advanced technologies AND CO 2 Moving Toward Sustainability Passenger LDV Sales (million) H2 hybrid fuel cell Electricity CNG/LPG Plug in hybrid diesel Diesel hybrid Conventional diesel Plug in hybrid gasoline Hybrid (gasoline) 0 Conventional gasoline Lew Fulton 2009 OECD/IEA 2009

13 13

14 14 Vertailu dieselpolttoaine/litiumakku vuonna 2010 Dieselpolttoaine 1 litra dieseliä= 10 kwh itse polttoaine painaa 0,84 kg polttoaine + säiliö noin 1 kg 1 litra dieseliä maksaa verottomana 0,60 pieni dieselauto kulkee 1 litralla dieseliä noin 25 km energiakustannus kilomerille 0,024 /km auton veroton hinta jos auton kestoikä on km, pääomakulut ovat suuruusluokkaisesti 0,10 /km energia + pääoma 0,124 /km hinnat nousussa! Litiumakku painaa noin 10 kg/kwh maksaa noin 800 /kwh 10 kwh painaa noin 100 kg 10 kwh maksaa akkuinvestointina noin kwh sähköä maksaa verottomana noin 1 (kotitaloussähkö) pieni sähköauto kulkee 10 kwh:lla noin 70 km energiakustannus kilometrille 0,015 /km auton veroton hinta jos auton kestoikä on km, pääomakulut ovat suuruusluokkaisesti 0,17 /km energia + pääoma 0,185 /km hinnat laskussa! 1 L

15 15 Biopolttoaineiden tärkeimmät haasteet Raaka aineen riittävyys Kilpailu ruuan tuotannon kanssa Kestävän kehityksen mukainen tuotanto Työvoiman kohtelu kehittyvissä maissa Riittävä jalostuskapasiteetti Tuotelaadun yhteensovittaminen kasvavien moottoripolttoaineiden laatuvaatimuksien kanssa Koko polttoaineketjun CO 2 ja energiatehokkuus Kustannustehokkuus Sertifiointijärjestelmien kehittäminen

16 16 Valtioneuvoston tulevaisuusselonteko liikenteestä Suomessa asetetaan suuntaa antavaksi tavoitteeksi, että henkilöautokannan suorat ominaispäästöt ovat vuonna 2030 enintään g CO2/km. Tästä päästöjen tulee edelleen laskea niin, että ne ovat enintään g vuonna 2040 ja g vuonna Tavoitteisiin lasketaan päästöt fossiilisten polttoaineiden käytöstä liikenteessä, kun taas autoissa käytetyn sähkön ja biopolttoaineiden päästöt lasketaan niiden tuotannon taseisiin. Myös sähkön ja biopolttoaineiden tuotannon päästöjä tulee vähentää määrätietoisesti.

17 Viina & Tuuli liikenteessä Jari Suominen/St1 Litium lisäakkupaketti 5 kwh 190 V 177 Ah 85 kg White Lightning FFV/E85 konversiokitti V2Green GridPoint dataloger Käytetyn energian mittaus GPS paikannus Historiatiedon tallennus ~1.3 kwh NiMh akku, ~0.3 kwh käytössä 45 l polttoainesäiliö 57 kw polttomoottori ja 50 kw sähkömoottori Fossiilinen CO2 päästö 15 g/km

18 18 Yhteenveto Autotekniikka on kehittynyt valtavasti viimeisten 15 vuoden aikana Haitallisten päästöjen alentaminen ja suorituskyvyn parantaminen ovat ohjanneet kehitystä, nyt painopiste on henkilöautojen osalta siirtymässä suorituskyvystä energiatehokkuuteen ja CO2 päästöjen vähentämiseen EU on jo päättänyt vuoden 2020 linjauksista Vuoteen 2050 mennessä koko liikennejärjestelmä on suurten mullistusten edessä valtioneuvoston esitys : kasvihuonekaasupäästöt 80 % Kaikkia keinoja teknisestä kehitystyöstä liikenteen sääntelyyn tarvitaan sopeutettaessa liikennettä kestävään kehitykseen Energian säästöllä, uudella ajoneuvotekniikalla ja parhaimmilla biopolttoaineilla voidaan vähentää niin lähipäästöjä, kasvihuonekaasupäästöjä kuin liikenteen öljyriippuvuutta

19 19...Yhteenveto Parhaimmat biopolttoaineet alentavat kasvihuonekaasupäästöjä yli 80 % kaikki biopolttoaineet eivät kuitenkaan tuo merkittäviä kasvihuonekaasuvähenemiä eivätkä täytä kestävän kehityksen kriteerejä Biopolttoaineille kehitetään entistä parempia kriteerejä Yleinen näkemys on, että verkosta ladattavat sähköautot (akkusähköautot ja plug in hybridit) tulevat yleistymään henkilöautopuolella Akkutekniikka on kuitenkin toistaiseksi kovin kallista Raskas kalusto tulee, varsinkin pitkillä matkoilla, yhä edelleen tarvitsemaan dieselmoottoreita

20 Miten tavoitteista tulee totta Auton rakenteen kehityspiirteitä tulevina vuosina Erikoistutkija, TkT Juhani Laurikko VTT Maailma muuttuu ja autot sen mukana meidänkin on muututtava 40. Autokauppiaspäivät

21 Autonsuunnittelun osapuolet Auton resepti t Järjestelmätoimittajat Auton sisältö t Autonvalmistajat eli OEM Auton konsepti t Osatoimittajat t Auton ostajat ja käyttäjät

22 Automaailman osapuolet SÄÄNTELY t Autonvalmistajat MARKKINAT OHJAUS & KANNUSTIMET t Julkinen lainsäädäntövalta t Auton ostajat ja käyttäjät

23 Autonsuunnittelun ristipaineet * Valmistus * Polttoainekulut * Huollot ja ylläpito Kustannukset Tukee markkinointia, nyt kun NCAP testi ja luokitus on tunnettu! * Ajostabilitetti ja ajodynamiikka * Kolariturvallisuus Turvallisuus Markkinoitavuus * Kuljetus ja suorituskyky * Varusteet * Haluttavuus * Melu * Pakokaasupäästöt * Energian kulutus * Kierrätettävyys Ympäristö Aiemmin vain heikko argumentti, lähinnä kustannuslisä! Nykyisin positiivinen ja vahvempi asema auton valintakriteereissä

24 Energian käytön vähentäminen kolme tietä Jarrutusenergian regeneraatio akkuun Hybridikäytöt Biopolttoaineet H2 Maakaasu Kevyemmät autot Hitaammat ajonopeudet Ajoneuvo Polttoaine Sähkö & Vety (tuotettu ei fossiilisella energialla) Moottori Suoraruiskutusmoottorit ja uudet työkierrot (HCCI) Sähkömoottori Polttomoottori Polttokenno

25 Energian käytön vähentäminen kolme tietä Vähennetään ajoneuvon liikkumiseen Hybridikäytöt Jarrutusenergian tarvittavan regeneraatioenergian tarvetta akkuun ja kehitetään energian talteenottoa Kevyemmät autot Hitaammat ajonopeudet Ajoneuvo Maakaasu Käytetään uusiutuvaa Biopolttoaineet tai enemmän vetyä H2 suhteessa hiileen sisältävää polttoainetta Polttoaine Sähkö & Vety (tuotettu ei fossiilisella energialla) Moottori Suoraruiskutusmoottorit ja uudet työkierrot (HCCI) Tuotetaan enemmän mekaanista energiaa polttoaineen (tai sähkön/vedyn) sisältämästä energiasta eli parannetaan muuntohyötysuhdetta Polttomoottori Polttokenno Sähkömoottori

26 Polttomoottori edelleen vahvoilla Kohtuullinen hinta Koeteltu konsepti uskottava ja luotettava asiakkaiden keskuudessa helppo "myydä" Hyvä suorituskyky Mittavat investoinnit valmistukseen

27 Diesel on luonnostaan taloudellisempi kuin ottomoottori!

28 Henkilöautodieselit

29 Diesel MY2009 vs. EU6 2014/ EU6 diesel NO x (g/km) Moottoriperheitä: 200 EU6 yhteensopivia: Toyota Avensis 2.2 D CAT Raja arvo, diesel Toyota Verso 2.2 D CAT Audi Q7 CleanDiesel Toyota RAV4 X2.2 D CAT Mercedes Benz E/ML/GL/R 350 BlueTec Lancia Delta TwinTurbo 1.9 Multijet CO 2 (g/km)

30 Keskeinen tavoite: säilytä hyvä hyötysuhde, puhdista pakokaasujen PM & NOx

31 Kehityskohteet: ha dieselmoottorit t Suoraruiskutuksesta ja sähköisestä polttoaineen annostelusta de facto t Pakokaasun kierrätys (EGR) t Muuttuvageometrinen ahdin t Hiukkassuodatus + lean NOx kat t Nopeat ruiskutussuuttimet (pietzosähköiset); jälkiruiskutus t SCR NOx katalysaattorit myös henkilöautoihin

32 Elektroniikka on tärkein jatkokehityksen mahdollistaja! Kuva: SiemensVDO

33 Sähköinen ruiskutus Common Rail t Elektroninen ohjainyksikkö ja runsaasti säätöparametrejä! t Tavoite: aina oikea ruiskutusmäärä ja ajoitus Kuva: BOSCH

34 Bensiinimoottorit

35 Bensa MY2009 vs. EU6 (2014/2015) EU6 bensiini Moottoriperheitä >300 Ei EU6 yhteensopivia <30 Yhteensopivia >90 % NOx (g/km) Raja arvo, EU6 bensiini CO 2 (g/km)

36 Keskeinen tavoite: säilytä pakokaasujen puhtaus, paranna polttoainetaloutta

37 Kehityskohteet ottomoottorit t t t t t t t t t Polttoaineen entistä tarkempi annostelu Muuttuva venttiilien ajoitus & nousu Resonanssi imusarjat & luistiventtiilit Uudet ahdintekniikat Monikipinä ja suurtehosytytys Laihaseossäätö ja anturi Suoraruiskutus Downsizing & Displacement on Demand Stop and go automatiikat

38 VW TSI TwinCharger remmiahdin turboahdin

39 Displacement On Demand Kuva: SIEMENS Kehittynyt venttiilitekniikka t Sähköisesti ohjattu ja käytetty venttiilistö t Portaaton säätö t Sylinterien lepuutus, jolloin kuormitus nousee käynnissä olevissa sylintereissä t >> pienempi kulutus

40 Puhdistintekniikkaa

41 Fuel Petrol, Alcohols Diesel, Vegetable Oil ICE Concept MPFI SI DI SI DI CI Depends on inj. timing Raw Exhaust Composition CO HC NOx PM CO HC NOx PM CO HC NOx PM CO HC NOx PM o & or Control Technology Three way Catalyst Lean NOx Cat (storage) OxyCat + SCR NOx Cat OxyCat + PM Trap Tailpipe Exhaust Composition CO HC NOx PM CO HC NOx PM NOx NOx CO HC PM CO HC NOx PM o o o o o o o + + o o o ++ o o ++ o Legend: o Very low + Low, ++ Medium, +++High

42 Fuel Petrol, Alcohols Diesel, Vegetable Oil ICE Concept MPFI SI DI SI DI CI Depends on inj. timing Raw Exhaust Composition CO HC NOx PM CO HC NOx PM CO HC NOx PM CO HC NOx PM o & or Control Technology Three way Catalyst Lean NOx Cat (storage) puhdistinkehitys OxyCat + SCR NOx Cat OxyCat + PM Trap Tailpipe Exhaust Composition CO o HC o NOx o PM o CO o HC o NOx o PM + o NOx + o NOx o CO o HC o PM ++ o CO o HC o NOx ++ o PM o Legend: o Very low + Low, ++ Medium, +++High

43 MercedesBenz BLUETECH Kuorma autoista tuttu SCR/NOx puhdistustekniikka tulossa myös EURO6 henkilöautoihin!

44 Integroitu kokonaisuus Kaasunvaihto imusarja venttiilikoneisto ahdin tai ahtimet EGR Pakokaasun puhdistus katalysaattori(t) hiukkaspuhdistimet ja regenerointi Mekaaninen rakenne iskutilavuus palotila/puristussuhde Polttoaineen syöttö tarkka annostelu muuttuva ruiskutuspaine adaptoituvuus minimi ja maksimimäärille useita ruiskutuksia/työkierto Muut toiminnot OBD ja muu diagnostiikka limp home toiminnot Moottorin ohjaus joutokäynti momentin säätö hiukkasloukun regenerointi ajoituksen ja ruiskutusmäärän tarkka kontrolli

45 SUORITUSARVOVERTAILU VW Golf I diesel 1976 VW Golf VI diesel 2009 iskutilavuus (l) 1,5 2,0 LISÄÄ: huipputeho (kw) vääntömomentti (Nm) RUUTIA huippunopeus (km/h) kiihtyvyys km/h (s) 18 10,7 9,3 omapaino (kg) LÄSKIÄ polttoaineen kulutus (EU yhd. l/100 km) 6,4 4,5 4,9 CO 2 päästö (g/km) EKOA hiukkassuodatin ei on

46 Kolaritestit ohjaavat koriturvallisuuden kehitystä Turvarakenteet lisänneet auton painoa jopa 500 kg!!!

47 SUORITUSARVOVERTAILU VW Golf I diesel 1976 VW Golf VI diesel 2009 iskutilavuus (l) 1,5 2,0 huipputeho (kw) vääntömomentti (Nm) huippunopeus (km/h) kiihtyvyys km/h (s) 18 10,7 9,3 omapaino (kg) polttoaineen kulutus (EU yhd. l/100 km) 6,4 4,5 4,9 CO 2 päästö (g/km) hiukkassuodatin ei on RUUTIA Entä jos koko tämä tekninen kehitys olisikin suunnattu pelkästään polttoaineen kulutuksen pienentämiseen? EKOA LÄSKIÄ

48 VW Golf I diesel 1976 PERILLISET EVOLUUTIO VW Polo TDI kapasiteetti 5 h 1150 kg 0 100: 14 sec 89 g/km CO 2 REVOLUUTIO Olisiko kehitys sittenkin voinut mennä näin? VW 1 Liter 2010 (konsepti) kapasiteetti 2 h 1.5 L/100 km 36 g/km CO kg Cd 0.195

49 Energian kulutuksen osatekijät ja vähentäjät t Pienempiä ja kevyempiä autoja! t Turvallisuus!? t Kevyet materiaalit: valmistus & kierrätys!? AJOVASTUKSET t ajonopeus t korin muoto t paino t renkaiden vierinvastus

50 Hybridiautojen tekniikkaa

51 Hybridiauton idea Sähköinen ajovoimansiirto eristää moottorin kuormitusten vaihtelulta moottorin toiminta helpompi optimoida voidaan käyttää erilaista työkiertoa (esim. Atkinson) mahdollistaa regeneratiivisen jarrutuksen, jolloin hyötysuhde paranee Kaikki käyttövoima kuitenkin polttoaineesta, sähkö vain välimuoto!

52 Lohner Porsche Electromobile Ensimmäinen hybridi Polttomoottori+sähkö(napa)moottorit (4 kpl) Ensimmäinen F. Porschen suunnittelema auto

53 Bensa hybridi vs. Diesel Säästöpotentiaali >>>> Toyota Prius VW Golf TDi Honda Insight

54 Percentage NEDC CO 2 Improvement (relative to Euro 4 Petrol Engine) Euro 4/5 Diesel Diesel Gasoline Euro 4/5 Gasoline Hybrids Percentage Cost Increase (relative to Euro 4 Petrol Engine) Source: Ricardo analysis communicated to CONCAWE (2008)

55 Energian käytön vähentäminen kolme tietä Jarrutusenergian regeneraatio akkuun Hybridikäytöt Maakaasu KäytetäänBiopolttoaineet uusiutuvaa energiaa tai enemmän vetyä H2 suhteessa hiileen sisältävää polttoainetta Kevyemmät autot Hitaammat ajonopeudet Ajoneuvo Polttoaine Sähkö & Vety (tuotettu ei fossiilisella energialla) Moottori Suoraruiskutusmoottorit ja uudet työkierrot (HCCI) Sähkömoottori Polttomoottori Polttokenno

56 Uudet energianlähteet

57 Energian käyttöketju Raakaaine (primaarienergia) Kantaja (polttoaine) Konversio (moottori)

58

59 Teknisesti vaihtoehtojen lukumäärä on hyvin suuri, mutta kaikki eivät ole kilpailukykyisiä!

60 Energiaketju lähteestä pyöriin Pathway analysis Well to Wheels (WTW) Raaka ainetuotanto Raw Material Extraction Primaarienergia Primary energy Polttoainetuotanto Fuel production Sähkön tuotanto Electricity production Jakelu ja tankkaus & lataus Distribution, Refuelling, Recharging Polttoaine tankissa On board fuel Matkan varrella tapahtuu hävikkiä ja syntyy päästöjä, jotka kaikki tulisi ottaa vertailussa huomioon Sähkö akussa Electricity On Board Energian muunto työksi Energy conversion

61 Energiaketju lähteestä pyöriin Pathway analysis Well to Wheels (WTW) Raaka ainetuotanto Raw Material Extraction Polttoainetuotanto Fuel production Polttoaine tankissa On board fuel Primaarienergia Primary energy Sähkön tuotanto Electricity production Alueelliset erot suuria! Jakelu ja tankkaus & lataus Distribution, Refuelling, Recharging Sähkö akussa Electricity On Board Energian muunto työksi Energy conversion

62 Sähköautoilla on loistelias historia

63 ja uusi, lupaava tulevaisuus!

64 Yhteenveto ja johtopäätöksiä Conclusions

65 Yhteenveto Polttomoottorit Elinaikaennuste vielä hyvä, > 25 vuotta Dieselin osuus kasvaa edelleen, mutta monimutkainen pakokaasun puhdistustekniikka nostaa kokonaiskustannuksia alkaako suosio hiipua Euro6 tasolla? Suoraruiskutus + elektroniikka = must have Täysin säädettävä venttiilien ajoitus, jo kulman takana displacement on demand >> tehonsäätö Taaksepäin yhteensopivat biopolttoaineet jatkavat polttomoottorin käyttökelpoisuutta

66 Yhteenveto: Hybridit ja uudet voimalaitteet Hybriditekniikka tulee polttomoottorin avuksi Polttomoottorin toiminta optimisäädöillä, kun sähkömoottori hoitaa tehonvaihtelutarpeet Regeneratiivinen jarrutus & lyhyt ajomatka sähköllä lisää hyötysuhdetta & rajoitettu 0 päästöajomahdollisuus Polttokenno korvaa polttomoottorin, kunhan hinta ja kestoikä saadaan kohdalleen! Vetypolttoaineen jakelujärjestelmän rakentaminen on mittava investointi & haaste Vety polttomoottori vain muutamien harrastus, mutta voisi vauhdittaa siirtymää

67 Hype aallot Polttokennot Biopolttoaineet Sähköautot What next? Hypetyksen jälkeen palataan aina todellisuuteen: Mikään yksittäinen teknologia ei pelasta maailmaa! Mutta: Niitä viisaasti yhdistelemällä voidaan saada paljon aikaan!

68