Halla-aho Heikki Juhani Liikenteen hyödyntämät tulevaisuuden polttoaineet. Kandidaatintyö

Transkriptio

1 Halla-aho Heikki Juhani Liikenteen hyödyntämät tulevaisuuden polttoaineet Kandidaatintyö Tarkastaja: Lehtori Risto Mikkonen Päivämäärä:

2 Tiivistelmä 2 Tampereen teknillinen yliopisto Sähkötekniikan koulutusohjelma Halla-aho Heikki Juhani: Liikenteen hyödyntämät tulevaisuuden polttoaineet Kandidaatin työ, 41 sivua, 4 liitesivua Toukokuu 2009 Pääaine: Elektroniikka Työn tarkastaja: Lehtori Risto Mikkonen Avainsanat: Vaihtoehtoiset energialähteet, vaihtoehtoiset polttoaineet, biopolttoaineet, vety, polttokennot, sähköauto, hybridiauto, maakaasu. Tämä kandidaatin työ on kirjallisuusselvitys liikenteen käyttämistä tulevaisuuden polttoaineista. Tällaisia ovat biopolttoaineet, maa- ja nestekaasu, sähkö- ja hybridikäytöt sekä vety polttokennojen polttoaineena. Työssä tarkastellaan kunkin vaihtoehtoisen polttoaineen valmistusta, varastointia, kuljetusta, tankkausta, moottori- ja polttoainejärjestelmää. Lisäksi vertaillaan eri polttoaineiden ympäristöystävällisyyttä ja tehdään kustannusanalyysiä. Vaihtoehtoiset polttoaineet vähentävät öljyriippuvuutta ja vähentävät kasvihuonepäästöjä. Nykyisten polttoaineiden helpon käsiteltävyyden, tunnetun teknologian ja laajan infrastruktuurin takia käytössä olevien tekniikoiden syrjäyttäminen on vaikeaa. Euroopan unionin poliittisten päätöksien takia jäsenmaat ovat joutuneet panostamaan biopolttoaineisiin, joka edesauttaa markkinoiden laajentumista. Biopolttoaineiden tuotannon kustannukset ovat suurempia tavallisiin fossiilisiin polttoaineisiin verrattuna ja infrastruktuuria on parannettava. Ympäristöhyödyistä on ristiriitaisia tutkimuksia ja ympäristöystävällisyyttä tutkittaessa on otettava huomioon päästöjen kokonaisuus biopolttoaineen valmistuksesta sen käyttöön. Maa- ja nestekaasu ovat uusiutumattomia luonnonvaroja, joten niiden pitäminen vaihtoehtoisina polttoaineina on kiistanalaista, mutta tällä hetkellä ne ovat laajalti käytössä ja vähentävät kasvihuonepäästöjä. Sähköautojen suurimpana ongelman voidaan pitää kallista akkuteknologiaa. Akkujen lataaminen on hidasta ja sähköauton toimintamatka alhainen. Hybridikäyttö onkin tällä hetkellä parempi vaihtoehto kohtuullisten kustannusten ja saavutettujen ympäristöhyötyjen takia. Vedyn käyttö polttoaineena on ongelmallista koska infrastruktuuri puuttuu lähes täysin ja vedyn valmistaminen on energiaintensitiivistä ja varastointi vaikeaa. Lisäksi polttokennojen ongelmana on kallis hinta, vieras teknologia ja lyhyt käyttöikä.

3 Alkusanat 3 Tämä kandidaatintyö on tehty Tampereen teknilliselle yliopistolle opinnäytetyönä. Työn tarkastajana ja ohjaajana toimii lehtori Risto Mikkonen. Ohjaukseen kuuluu aiheen tarkastelu, rajaus sekä välinäyttö

4 Lyhenteet ja merkinnät 4 Symbolit: Ω Ohmi, resistanssin yksikkö Lyhenteet: PVC NiCd NiMH Li-Ion DC AC I-S Ca-Br MTBE SMR USABC FFV PEMFC DMFC imiev B5 E85 M85 polyvinyylikloridi(polyvinyl chloride) nikkeli-kadmium(nickel-cadmium) nikkeli-metallihydridi(nickel-metal Hydride) litium-ioni(lithium Ion) tasavirta(alternate current) vaihtovirta(direct current) jodi-rikki(iodine-bromine) kalsium-bromi(calcium-bromine) Metyyli-tert-butyylieetteri(methyl tertiary butyl ether) steam-methane reforming United States Advanced Battery Consortium fuel flexible vehicle proton exchange membrane fuel cell direct methanol fuel cell Mitsubishi innovative Electric Vehicle Biodieselin ja dieselin seos, numero ilmoittaa biodieselin osuuden Bioetanolin ja bensiinin seos, numero ilmoittaa etanolin osuuden Biometanolin ja bensiinin seos, numero ilmoittaa metanolin osuuden

5 Sisällys 5 1. Johdanto Tekninen toteutus Biopolttoaineet Biokaasu Biodiesel Bioetanoli Biometanoli Sähköajoneuvo Akkuteknologia Hybridiratkaisut Vety Vedyn valmistaminen Vedyn varastointi ja kuljetus Polttokennot Polttokennoston rakenne ja polttokennoajoneuvot Maa- ja nestekaasu Ympäristöystävällisyys Biopolttoaineet Biokaasu ja biodiesel Bioetanoli ja biometanoli Sähkö ja hybridiratkaisut Vety ja polttokennot Maa- ja nestekaasu Kustannusvertailu Biopolttoaineet Biokaasu ja biodiesel Bioetanoli ja biometanoli Sähkö ja hybridiratkaisut Vety ja polttokennot Maa- ja nestekaasu Johtopäätökset...34 Lähteet...36 Liitteet...42

6 1. Johdanto 6 Fossiiliset polttoaineet ovat uusiutumattomia energialähteitä. Lisäksi niiden käyttö lisää kasvihuonepäästöjä ja edistää ilmastonmuutosta. Liikenteen aiheuttamat ympäristöhaitat ovatkin yksi suurimmista ympäristöongelmista. Euroopan Unionissa % kasvihuonepäästöistä aiheutuu liikenteestä ja maailmanlaajuisesti osuus on 13 %. Yli 80 % liikenteen aiheuttamista päästöistä aiheutuu tieliikenteestä ja 13 % lentoliikenteestä. Rautatieliikenteen päästöjen osuus on sen sijaan vähäinen. Suurin ihmisen tuottama kasvihuonekaasu on hiilidioksidi. Vaihtoehtoiset polttoaineet kuten biopolttoaineet, vety, sähkö ja hybridikäytöt ovat varteenotettavia ratkaisuja ongelmaan, koska ovat uusiutuvia ja ympäristöystävällisiä. Lisäksi maa- ja nestekaasu ovat vaihtoehtoja öljyn ja dieselin korvaajiksi. Vaihtoehtoisia biopolttoaineita voidaan pääsääntöisesti käyttää nykyisissä polttomoottoreissa. Lisäksi kehitetään teknologiaa sähkö-, hybridi- ja polttokenno käyttöihin. EU on tehnyt poliittisia päätöksiä biopolttoaineisiin siirtymisessä. Tämä tarkoittaa, että kaikkien jäsenmaiden kesken biopolttoaineiden osuus kaikista liikenteen polttoaineista tulisi olla 5,75 % vuoteen 2010 mennessä ja 10 % vuoteen 2020 mennessä. Lisäksi useissa jäsenmaissa uusiutuvien polttoaineiden verotus on alhaisempaa kuin öljyn ja dieselin. Tässä työssä kartoitetaan vaihtoehtoisia tulevaisuuden polttoaineita, tarkastellaan niiden valmistusta, varastointia, kuljetusta ja käyttöä. Lisäksi vertaillaan kunkin polttoaineen ympäristöystävällisyyttä ja taloudellisuutta. Vaihtoehtoisiin polttoaineisiin siirtyminen edellyttää teknologian kehittämistä, poliittisia päätöksiä sekä kustannusten alenemista.

7 2. Tekninen toteutus Biopolttoaineet Biopolttoaineet ovat uusiutuvia energialähteitä, joiden valmistamiseen käytetään raakaaineena biomassaa. Biomassalla tarkoitetaan uusiutuvia orgaanisia luonnonvaroja, joihin on yhteyttämisessä varastoitunut auringon energiaa. Biomassaa saadaan muun muassa puusta, puujätteestä, sokeria ja tärkkelystä sisältävistä viljakasveista, vesikasveista, ruohoista, eläinten lannasta, yhteiskunnan biojätteestä ja elintarviketeollisuuden märkälietteestä. Lisäksi hyödynnetään kasviöljyjä. Polttoaineeksi jalostettavalla biomassalle on tärkeää, että sitä tuotetaan kestävän kehityksen mukaisesti. Tämä tarkoittaa esimerkiksi sitä, että tuotettu biomassa ei sovellu elintarvikekäyttöön, eikä sen valmistukseen käytetä ravinnontuotantoon soveltuvia maa-alueita. Kiinnostus biomassan hyödyntämiseen on lisääntynyt voimakkaasti tulevaisuudessa uhkaavan öljypulan vuoksi. [1][2][3] Biokaasu Jalostettu biokaasu eli biometaani on kemiallisesti sama polttoaine kuin maakaasu, joten sillä on myös sama energiasisältö. Samat ajoneuvot soveltuvat molemmille ja voidaan käyttää samoja siirto- varastointi- ja tankkausratkaisuja. Jalostettu biokaasu sisältää yli 95 % metaania ja sitä voidaan käyttää kaikkien nykyaikaisten bensiinimoottoreiden polttoaineena. Biokaasuntuotanto on todettu useissa elinkeinoanalyyseissä yhdeksi puhtaimmista ja energiatehokkaimmista tavoista tuottaa liikenteen biopolttoaineita. Puhdistamattoman biokaasun energiasisältö on 5-7kWh/m 3 ja yksi kuutio biometaania vastaa noin yhtä litraa dieseliä. [4][5][6][7][8] Biokaasun valmistukseen käytetään raaka-aineena biomassaa. Biomassasta voidaan tehdä kaasua kahdella tavalla kaasutuksella sekä anaerobisella käymisellä. Anaerobisessa menetelmässä biomassa esikäsitellään, jotta siitä tuli mahdollisimman homogeenista. Tämä tarkoittaa, että biomassa murskataan, jotta palakoko olisi mahdollisimman pieni. Biomassa hygienisoidaan raaka-aineiden steriloimiseksi. Tällöin biomassa kuumennetaan, jolloin rikkakasvien siemenet ja taudinaiheuttajat häviävät. Tämän jälkeen biomassa sekoitetaan esisekoitussäiliössä ja siirretään reaktoriin jossa kaasu tuotetaan. [9][10] Reaktorissa biomassa mädätetään, joka tapahtuu suljetussa ja hapettomassa tilassa. Prosessi alkaa hydrolyyttisten bakteerien esihajotuksella (hydrolyysi), minkä jälkeen haponmuodostajabakteerit jatkavat hajoitustoimintaansa (happokäyminen). Tällöin syntyy etikkahappoa, hiilidioksidia ja vetyä. Metaanibakteerin toiminnalla tämä muutetaan metaaniksi. Biomassaa sekoitetaan koko prosessin ajan, jotta metaani poistuu lietteestä. Reaktorin lämpötila on C mesofiilisessä reaktorissa tai 55 C termofiilisessä reaktorissa. Mesofiilinen prosessi on vakaampi ja ei ole yhtä herkkä

8 8 lämpötilan muutoksille, kun taas termofiilinen prosessi on nopeampi. Nopeamman prosessin johdosta termofiiliseen prosessiin tarvitaan pienempi reaktori, mikä puolestaan vaikuttaa laitekustannusten alenemiseen. Lisäksi prosessi voi olla panostyyppinen tai jatkuvatoiminen. Lopputuloksena on mädätettyä biomassaa ja biokaasua, joka sisältää metaania (55 70 %), hiilidioksidia ja pieniä määriä rikkivetyä ja muita epäpuhtauksia. [1][4][7][11][12] Prosessin jälkeen metaanipitoisuus on kuitenkin liian alhainen. Kaasusta on poistettava hiilidioksidi, rikkivety ja kosteus. Metaanipitoisuuden tulisi olla yli 95 %, jotta sitä voitaisiin käyttää liikennepolttoaineena ja siirtää maakaasuverkossa. Lisäksi hiilivedyt alentavat kaasun lämpöarvoa ja rikkiyhdisteet aiheuttavat korroosiota. Puhdistusmenetelmiä ovat absorptio nesteeseen tai kiinteään aineeseen, membraanisuodatus, biologinen puhdistus ja kondensaatio. [4][5] Mädätetty biomassaliete voidaan jatkojalostaa. Riippuen lopputuotteen hyödyntämisvaihtoehdoista, mädätettyä biomassaa voidaan käyttää kierrätysravinteina tai maanparannusaineena pelloilla, viherrakentamisessa ja kaatopaikan peittomaana. [4] Kaatopaikkakaasusta voidaan puhdistamalla tuottaa biokaasua. Kaatopaikkakaasu sisältää % metaania, hiilidioksidia, typpeä, rikkivetyä, siloksaaneja ja halogeeniyhdisteitä. Siloksaanien poisto on tärkeää, koska ne vahingoittavat moottoreita ja orgaaniset halogeeniyhdisteet aiheuttavat korroosiota. Typen poisto voidaan tehdä edullisesti estämällä sen pääsy keräysvaiheessa kaasuun. Puhdistukseen voidaan käyttää vesiabsorptiota, jolloin kaasusta voidaan poistaa hiilidioksidi ja rikkivety. [5] Biokaasua voidaan valmistaa myös termokemiallisesti kaasutusmenetelmällä. Biomassa esikäsitellään samalla tavalla kuin anaerobisessa menetelmässä, mutta hydrolyysin sijasta biomassa kuivataan, jolloin biomassa on homogeenista ja sen kosteus on 15 %. Tämän jälkeen biomassa siirretään kaasuttimeen. [13] Kaasuttimessa biomassa kuumennetaan, jolloin se muuttuu kaasumaiseksi. Kaasutus voidaan tehdä kahdella eri prosessivaihtoehdolla. Paineistetussa pölykaasutuksessa käytetään kuumennuksen lisäksi happea ja paineistetussa leijukerroskaasutuksessa käytetään kuumennuksen lisäksi vesihöyryä ja happea. Kaasutus voidaan tehdä kolmessa eri lämpötilassa: alhaisessa ( C), keskikorkeassa ( C) tai korkeassa ( C). Syntyvä synteesikaasu sisältää hiilimonoksidia, vetyä, hiilidioksidia, vesihöyryä, hiilivetyjä ja epäpuhtauksia. Syntynyttä kaasua ei voida käyttää sellaisenaan polttoaineena mutta jatkojalostamalla Fischer-Tropsch synteesillä siitä voidaan tehdä korkealuokkaista biodieseliä tai prosessoimalla synteettistä maakaasua tai metanolia. [10][13][14][15][16] Puhdistettua biokaasua voidaan varastoida barin metallisäiliöihin. Biokaasu voidaan varastoida myös kaasukelloon, PVC-säkkiin tai muovikalvoon. Biokaasua voidaan siirtää säiliöautoissa tai rekkakonteissa, jotka on täytetty painepulloilla.

9 9 Paineistaminen vaatii energiaa noin 4 % biometaanin sisältämästä energiasta. Biokaasua voidaan siirtää myös maakaasuverkossa. Biokaasu on mahdollista nesteyttää alle -163 C lämpötilassa, mutta menetelmä kasvattaa tuotantokustannuksia ja vaatii energiaa, joten korkeapaineratkaisu on teknisesti parempi vaihtoehto.[6][7][17][18] Jalostetun biokaasun tankkausasema koostuu kaasuvarastosta, kompressorista, korkeapaineistetusta välivarastosta ja täyttöpisteestä. Kaasu voidaan tuoda asemalle pullopatterilla tai maakaasuputkella. Tankkaus kulkuneuvoon tapahtuu paineistetun liitynnän avulla. Hidastankkauksessa tankkaus kestää 5-12 tuntia, jota voidaan käyttää esimerkiksi linja-autojen tankkauksessa varikolla ja korkeapainetankkauksessa tankkaus kestää 3-6 minuuttia, jota voidaan käyttää henkilöautojen tankkaukseen. Biometaani on turvallinen polttoaine, sillä se on ilmaa kevyempää ja haihtuu nopeasti vuodon sattuessa. Syttymispiste on korkea (600 C) ja syttymisalue kapea (5-15 tilavuusprosenttia). Kaasusäiliöt ovat kestäviä ja niiden sijoitus on turvallinen. Säiliöt ovat myös varustettu varo- ja sulkuventtiileillä, jolloin vuodon sattuessa kaasun syöttö katkeaa. Lisäksi tankkauksessa käytetään letkumurtoventtiiliä. [6][7][8][19] Biokaasua voidaan käyttää kaikkien nykyaikaisten bensiinimoottorien polttoaineena. Kaasuajoneuvo voidaan toteuttaa neljällä erilaisella ratkaisulla. Kaksoispolttoainejärjestelmässä eli niin sanotussa bi-fuel kulkuneuvossa käytetään erillisiä polttoainetankkeja ja syöttöjärjestelmiä metaanille ja bensiinille. Tällöin bensiini toimii varapolttoaineena, kun siirrytään kauemmaksi kaasun tankkausasemien verkostosta. Bi-fuel kaasuautolla on yleensä noin 300 kilometrin toimintasäde ja vastaavasta varabensiinillä on yleensä 200 kilometriä. Dual-fuel-järjestelmässä on diesel moottori, jossa ilman sijasta puristetaan metaania. Tällöin diesel toimii esisytytyksenä metaanille. Pienellä kuormituksella järjestelmä voi olla jopa kokonaan dieselkäyttöinen mutta täydellä kuormituksella metaanin osuus voi olla %. Järjestelmä voi olla myös puhtaasti metaanikäyttöinen ja siinä on vain metaanille tarkoitettu moottori. Käytössä on myös metaanille optimoitu mikroturbiini. [6][7][17] Biodiesel Biodieselillä tarkoitetaan uusiutuvista raaka-aineista jalostettua polttoainetta, joka vastaa ominaisuuksiltaan tavallista dieselöljyä. Kriteerinä on, että biodieseliä voidaan käyttää ilman suurempia muutostöitä dieselmoottoreissa. Biodiesel sekä bioetanoli ovat käytännössä ainoat ensimmäisen sukupolven biopolttoaineet, joilla on kaupallista merkitystä. [3][20][21] Yleisimmin biodieseliä saadaan kasviöljyistä jalostamalla siitä estereitä. Tutkituimpia kasviöljyjä ovat soija-, rapsi-, rypsi-, auringonkukka- ja palmuöljy. Näiden suosio riippuu hyvin pitkälti maantieteellisestä sijainnista. Kasviöljy saadaan puristamalla kasvien siemeniä. Suurin osa kasviöljyistä on triglyseridejä, jolla tarkoitetaan glyserolin ja kolmen rasvahapon muodostamaa esteriyhdistettä. Raaka-aineena voidaan käyttää myös

10 10 eläinrasvaa. Kasviöljyt eivät sellaisenaan sovellu polttoaineeksi sillä niiden viskositeetti on liian suuri, jolloin ne eivät pala täydellisesti dieselmoottoreissa. Viskositeettia voidaan alentaa vaihtoehtoesteröinillä. [3][20] Suurin osa markkinoilla olevasta biodieselistä valmistetaan vaihtoehtoesteröintimenetelmällä. Vaihtoehtoesteröinnissä metyyliestereitä saadaan kasviöljyn triglyseridin ja alkoholin reaktiotuotteena. Alkoholina voidaan käyttää metanolia, etanolia, propanolia, butanolia tai amyylialkoholia. Yleisimmin käytetään metanolia ja etanolia. Reaktio on kolmiosainen ja jokaisessa vaiheessa saadaan metyyliestereitä ja lopputuotteena glyserolia. Triglyseridi Diglyseridi Monoglyseridi Glyseroli Metyyliesteri Metyyliesteri Metyyliesteri Reaktiota voidaan nopeuttaa katalyytillä käyttämällä emäs- tai happokatalyyttiä tai entsyymeillä. Emäskatalysointi on käytetympi, koska se ei vaadi korkeaa lämpötilaa tai painetta. Jos reaktio ei ole täydellinen jää lopputuotteeseen glyserolia, jonka määrä on biodieselin laatuvaatimuksissa säädetty. Glyseroli lisää biodieselin viskositeettia, jolloin se voi tukkia moottorin. Osa glyserolista voidaan poistaa seisottamalla tai sentrifugoimalla. Seisottamisessa painavampi glyseroli laskeutuu astian pohjalle, jolloin esterit ja glyseroli voidaan helposti erottaa toisistaan. Lopputuotteeseen jää vielä 2-4 % metanolia glyserolin poistamisen jälkeen. Metanoli kerätään metyyliesteristä tislaamalla, jonka jälkeen metyyliesteri pestään hapolla ja vedellä. Tällöin mahdolliset katalyytti- ja saippuajäämät saadaan erotettua. Kuivauksen jälkeen saadaan valmista puhdistettua biodieseliä. [3][20][21] Biodieselin ja tavallisen dieselin tankkaus ja varastointi eivät eroa toisistaan. Biodieselillä on kuitenkin taipumus vaahdota, joka voi haitata tankattaessa. Tämä voidaan korjata lisäaineistuksella. Biodieselin varastoinnissa ongelmaksi muodostuu sen stabilisuuden heikkous. Biodiesel on biohajoavaa ja sen hajoamisnopeus on 4 kertaa suurempi kuin tavallisen dieselin. Toisaalta onnettomuuden sattuessa biodiesel on myrkytöntä ympäristölle. Biodieselin säilytykseen tulisi käyttää puhdasta, kuivaa ja valolta suojattua säiliötä. Säiliömateriaaleina voidaan käyttää terästä, alumiinia, fluoripinnoitettua polyeteeniä, polypropyleeniä tai teflonia. Biodieseliä voidaan siirtää kuten tavallista dieseliä mutta kuitenkin erillään tavallisesta dieselistä.[20][22][23] Kaikki nykyaikaiset dieselmoottorit ovat yhteensopivia biodieselin kanssa. Autonvalmistajat kuitenkin suosittelevat, että biodieseliä sekoitetaan tavalliseen dieseliin suhteella B5, joka tarkoittaa 5 % biodieseliä ja 95 % tavallista dieseliä. Kuitenkin B20 suhteella päästöt ovat huomattavasti alemmat ja moottoriongelmia ei ole havaittu. Biodiesel on tavallista biodieseliä voimakkaammin syövyttävää ja se liuottaa

11 11 epäpuhtauksia järjestelmästä. Tästä syystä suodattimia tulisi vaihtaa useammin, koska järjestelmän epäpuhtaudet voivat tukkia suodattimia, kun siirrytään käyttämään biodieseliä. Biodieselillä on heikot kylmäkäyttöominaisuudet, joka on yksi suurimmista ongelmista biodieselin käytön kannalta. Biodiesel alkaa sameutua jo 0 C alapuolella. Tällöin polttoaine muuttuu geelimäiseksi ja lämpötilan edelleen laskiessa jäykistyy entisestään. Ongelman ratkaisuksi biodieseliä voidaan sekoittaa perinteiseen dieseliin, voidaan käyttää lisäaineita tai haarautuneita estereitä. [20][21][22][23] Bioetanoli Bioetanoli on bioraaka-aineista valmistettua etanolia, jota voidaan käyttää polttoaineena. Bioetanoli ei kuitenkaan ole energiataseeltaan muiden biopolttoaineiden veroinen. Raakaaineina käytetään hyvin erilaisia tärkkelys- ja sokeripitoisia kasveja. Tällaisia kasveja ovat esimerkiksi sokerijuurikas, vilja, sokeriruoko, maissi, peruna, melassi. Kunkin raaka-aineen tarvitsemat valmistusprosessit eroavat hieman toisistaan. Suurin osa bioetanolista valmistetaan maissista mutta Euroopassa vehnä on tärkeässä asemassa biopolttoainestrategiassa. Bioetanolin tuotantoon voidaan myös hyödyntää biohajoavia jätteitä ja biomassaa. Lisäksi selluloosa- ja ligniinipitoisten raaka-aineiden hyödyntämistä etanolin valmistukseen tutkitaan tällä hetkellä kiivaasti. Kyseiset raaka-aineet täytyy kuitenkin hydrolisoida ennen käymisprosessia, joka on monimutkaisempi viljakasveihin verrattuna. [17][21][24][25][26][27] Bioetanolia voidaan tuottaa viljasta käymisprosessin avulla. Prosessin ensimmäisessä vaiheessa jyvät kuivataan, puhdistetaan mahdollisista epäpuhtauksista ja jauhetaan mekaanisesti murskaamalla. Jauhamisen jälkeen tapahtuu nesteytys jolloin jyviin lisätään vettä, entsyymejä ja muita kemikaaleja. Käymisprosessi tapahtuu hapettomassa tilassa entsyymin hajottaessa orgaanista ainetta. Sokeripitoiset raaka-aineet voidaan muuttaa suoraan käymisprosessissa etanoliksi, mutta tärkkelyspitoiset raaka-aineet pitää muuntaa sokeripitoiseksi hydrolysoivaa entsyymiä käyttäen. Alkoholin käyminen tuottaa huomattavat määrät hiilidioksidia. Lisäksi tuotantoprosessi on varsin energiaintensiivinen. Entsyymi Hiiva Tärkkelys Sokeri Etanoli + CO 2 Tämän jälkeen etanoli tislataan ja väkevöidään jolloin saadaan 99,8 tilavuusprosenttista etanolia. Prosessi kuluttaa runsaasti energiaa. Prosessissa syntyy lisäksi rankiksi kutsuttua kiinteää massaa, joka koostuu lähinnä viljan kuorista. Tätä ainetta voidaan hyödyntää rehuna. Rankkia mädättämällä voidaan tuottaa biokaasua. [17][21][24][25] Bioetanoli sitoo puoleensa vettä, mikä aiheuttaa ongelmia polttoaineen käsittelyssä, varastoinnissa ja kuljetuksessa. Tästä syystä bensiinin ja etanolin seosta ei voida säilyttää

12 12 tavanomaisissa kelluvakattoisissa säiliöissä. Lisäkustannuksia tuottaa polttoainehöyryjen painemääräysten noudattaminen bioetanolia käytettäessä. Bioetanolia voidaan kuljettaa olemassa olevalla infrastruktuurilla, kun huomioidaan edellä mainitut asiat. [17][21] Bioetanolia käytetään bensiinikäyttöisissä moottoreissa. Jos bioetanolia halutaan käyttää sellaisenaan bensiinimoottoreissa, täytyy niihin tehdä muutoksia. Lisäksi bioetanolista saadaan vähemmän energiaa kuin tavallisesta bensiinistä. Näin ollen bioetanolin kulutus on puolitoista kaksinkertainen bensiiniin nähden. Suositeltavampaa on käyttää bensiinin ja bioetanolin sekoitusta. Lisätty etanoli nostaa bensiinin oktaanilukua ja happimäärää, vähentäen haitallisia hiilimonoksidipäästöjä. Lisäksi oktaanilukua nousu vähentää MTBE:n (metyylitertiääributyylieetteri) tarvetta, jota käytetään yleisesti oktaaniluvun nostamiseen, mutta se on luonnolle erittäin haitallista. Bioetanolia voidaan sekoittaa jopa 10 % bensiiniin ilman havaittuja ongelmia nykyaikaisissa bensiinikäytöissä. Sekoitus ei myöskään aiheuta merkittäviä muutoksia kulutukseen. Tällä hetkellä eurooppalainen polttoainedirektiivi sallii 5 % etanolia bensiinin joukossa. Yli 10 % seoksena etanolia voidaan käyttää vain autoissa joiden moottori ja polttoainejärjestelmä (polttoainesäiliö, pumput, putkistot, liittimet ja tiivisteet) on suunniteltu alkoholeille. Etanoliseos irrottaa polttoainesäiliöissä ja -järjestelmissä olevia kiinteitä saostumia, jolloin polttoaineensuodatin tulisi vaihtaa tavallista useammin. Korkeina pitoisuuksina etanoli saattaa aiheuttaa korroosiota ja muovien haurastumista, jolloin polttoainejärjestelmän tulisi alkoholille suunniteltu. Etanoliseosten haihtumislämpö on suurempi kuin tavallisen bensiinin, joten kylmäkäynnistys on talvella vaikeampaa. Tästä syystä tulisi käyttää alhaisia seossuhteita talviaikaan. Bioetanolin tankkaus tapahtuu samalla tavalla kuin bensiinin tai dieselin. [17][20][21][24][25] Biometanoli Metanolia voidaan valmistaa metaanista, kivihiilestä tai biomassasta. Biometanoliksi kutsutaan biomassasta synteesikaasuprosessilla tehtyä metanolia mutta metaanista valmistettu metanoli on käytetyin ja taloudellisin menetelmä. Metaania saadaan suoraan maakaasusta tai biokaasusta. Metaanikaasu on muutettava synteesikaasuksi steammethane reforming (SMR) reaktiolla. Tämä tapahtuu 2 MPa paineessa ja 800 C lämpötilassa. Reaktioon on lisättävä vielä hiilidioksidia. SMR-reaktio: 3CH 4 + CO 2 + 2H 2 O 4CO + 8H 2 [28] Syntyneestä synteesikaasusta voidaan valmistaa metanolia. Valmistus perustuu hiilimonoksidin tai hiilidioksidin ja vedyn väliseen reaktioon. Reaktio suoritetaan 250 -

13 barin paineessa ja C lämpötilassa. Katalyyttinä käytetään sinkkioksidia. Reaktio on eksoterminen. Hiilidioksidin ja vedyn reagoidessa saadaan noin 80 % metanolia ja 20 % vettä. Hiilimonoksidin ja vedyn reaktio: CO + 2H 2 CH 3 OH Hiilidioksidin ja vedyn reaktio: CO + 3H 2 CH 3 OH + H 2 O [28] Reaktion jälkeen olosuhteet palautetaan normaaliksi (NPN) ja nestemäinen metanoli saadaan erotettua reagoimattomista kaasuista. Valmistunut metanoli on 99 tilavuusprosenttista, joka voidaan edelleen tislata. Reagoimatta jääneet kaasut voidaan kierrättää uudestaan. [28] Biometanolin tankkaus, varastointi ja kuljetus tapahtuvat samalla tavalla kuin bioetanolin. Biometanoli asettaa kuitenkin varastointiin ja tankkaukseen soveltuville materiaaleille suuremmat vaatimukset kuin bioetanolille sen huonomman vedensiedon ja suuremman korroosiovaaran takia. Biometanolilla on bioetanolin tapaan huonompi energiasisältö kuin bensiinillä, mutta puristuskestävyys on alkoholeilla parempi, jolloin moottorilla saavutetaan parempi hyötysuhde. Koska metanoli on syövyttävä aine, polttoainejärjestelmä on rakennettava metanolia kestävästä materiaalista. Biometanolia voidaan myös käyttää seoksena bensiinin kanssa missä suhteessa tahansa. Autoihin on kuitenkin rakennettava alkoholitunnistin, joka säätää moottorin toiminnan polttoainesekoitukselle sopivaksi. Tälläisiä autoja kutsutaan FFV (Fuel Flexible Vehicle) autoiksi. Lisäksi moottoriin on tehtävä muutoksia, jotta se toimisi ongelmitta nykyisissä bensiinimoottoreissa. Useimmiten seoksina käytetään 85 % metanolia ja 15 % bensiiniä. FFV autoissa voidaan käyttää myös bioetanolia. Metanoli palaa värittömällä liekillä ja synnyttää korkean lämpötilan, mikä on ongelmallista liikenneonnettomuuksissa. Ratkaisuksi on kehitetty punaista tai valkoista savua tuottavan kemikaalin lisäämistä polttoaineeseen. Lisäksi metanolin myrkyllisyydestä johtuen sen pääsy auton sisätiloihin tulee estää. [15][20][28]

14 2.2 Sähköajoneuvo 14 Sähköajoneuvossa voimanlähteenä käytetään yhtä tai useampaa sähkömoottoria ja sähköenergia varastoidaan akkuihin. Muita osia ovat taajuusmuuttaja, akun varaaja ja akuston tilan seurantajärjestelmä. Taajuusmuuttajalla voidaan säätää sähkömoottorin pyörimisnopeutta. Seurantajärjestelmällä voidaan seurata akuston varausta, lämpötilaa ja mahdollisia vikaantumisia. Sähkömoottori voi olla AC- tai DC-käyttöinen. ACmoottorilla on suuri vääntömomentti ja laaja tehollinen kierroslukualue, jolloin erillistä vaihteistoa ei tarvita. Lisäksi se on helppohoitoinen ja jäähdytys on helppo toteuttaa. DCmoottorilla on kapeampi tehollinen kierroslukualue, jolloin erillinen vaihteisto tarvitaan. Hyötysuhde on heikompi kuin AC-moottorissa. DC-moottori tarvitsee huoltoa noin kilometrin välein ja sen jäähdytys on vaikeampaa. AC-moottorin säätämiseen käytetyt taajuusmuuttajat ovat kehittyneet huimasti ja nykyään sähköajoneuvossa käytetäänkin pääasiassa AC-moottoreita.[29] Muihin ratkaisuihin verrattuna sähköauton etuihin kuuluu, että sähkömoottorin hyötysuhde on huomattavasti suurempi kuin polttomoottorin. Jos tutkitaan koko energiaketjua ottaen huomioon tuotannon, jakelun ja lataamisen, hyötysuhde on edelleen parempi. Lisäksi ajoneuvon ollessa paikallaan moottori ei ole käynnissä eikä näin ollen kuluta energiaa. Nykyaikaisissa sähköautoissa osa jarrutusenergiasta voidaan ottaa talteen, jolloin sähkömoottori toimii generaattorina. Jarrutuksesta saatu energia voi olla jopa 10 % auton energiankulutuksesta. Sähköauto on hyötysuhteeltaan myös hybridi- ja polttokennoajoneuvoja parempi. [20][29][30][31] Sähköauton suurimpana ongelmana voidaan pitää akkuteknologiaa. Tästä johtuen toimintamatka on alhainen, yleisimmin kilometriä. Tulevaisuuden litiumionakuilla varustettujen sähköautojen toimintamatka voi olla jopa km. Varastointikapasiteettia kasvattaessa akkukennoston koko ja paino kasvavat huomattavasti. Toimintasäde riippuu myös akun energiatiheydestä. Akusto voi painaa satoja kiloja ja siihen voidaan tyypillisesti varata kymmeniä kilowattitunteja energiaa. Akkujen elinikä on alhainen, mistä johtuen kapasiteetti pienenee akuston ikääntyessä ja niitä joudutaan vaihtamaan. Ajonopeus vaikuttaa myös toimintamatkaan, mistä johtuen sähköajoneuvolla pitäisi ajaa taajamissa. [20][29][30][32] Akkujen tarvittaessa sähköenergia ladataan sähköverkosta. Lataus voidaan suorittaa kotona tai huoltoasemilla. Riippuen varaajasta, latausjännitteestä, virrasta, sähköverkon vaiheiden määrästä lataaminen voi kestää kymmenistä minuuteista useisiin tunteihin. [29][30] Sähköautoissa käytettävän sähkön jännite ja virta saattavat aiheuttaa vaaratilanteita. Tästä syystä on kiinnitettävä huomiota korkeajännitteisten komponenttien suojaukseen onnettomuustilanteissa. Käytetyistä akkutyypeistä litiumakku on vaarallisin mutta sen rakenne voidaan tehdä turvalliseksi, jolloin jännite romahtaa alas alle minuutissa oikosulkutilanteissa tai vuodon sattuessa. [29][30]

15 2.2.1 Akkuteknologia 15 Akku on sekundäärinen virtalähde eli se on uudelleenladattava. Tyhjentynyt akku voidaan toistuvasti varata tuomalla siihen sähköenergiaa, joka varastoituu kemiallisena energiana. Akkukennossa on kaksi eri elektrodia, positiivinen ja negatiivinen ja ne ovat samassa elektrolyytissä. Elektrodien ja elektrolyytin erilaisilla valinnoilla voidaan vaikuttaa akun ominaisuuksiin ja parametreihin. Akku on kokonaisuus useasta sarjaan kytketystä sähkökemiallisesta kennosta. Akusto on kokonaisuus useasta sarjaan tai rinnan kytketystä akusta. [29][33] Tällä hetkellä yleisimpiä käytettyjä akkuja ovat: lyijyakku, nikkeli-kadmium-akku (NiCd), nikkelimetallihydridi-akku (NiMH), litiumioniakku (Li-ion) ja litiumpolymeeriakku (LiPo). Kaupallistettuja ovat myös alumiini-ilma-akku ja alumiinirikkiakku. Lisäksi osittain kaupallistettuja ja kehitystyön alla ovat korkean lämpötilan akut, kuten natrium-rikki-akku, metalli-ilma-akut, nikkeli-rauta-akut, polymeerilitiumakut ja redoksi- ja virtausakut eli regeneroitavat polttokennot. Virtausakuissa energiavarastona toimii polttokennon nestemäinen elektrolyytti ja teholähteenä toimii polttokenno. Redoksiakuissa energia varastoituu polttokennon negatiiviseen ja positiivisen elektrolyyttiin ja sähköenergiaa saadaan hapetus-pelkistysreaktion avulla. Litiumioniakuissa on paras energiatiheys ja pitkä elinikä, jonka vuoksi se on varteenotettava vaihtoehto liikennekäyttöön. Tällöin sähköajoneuvon akuston paino saadaan pienemmäksi ja kantama suuremmaksi. Litiumioniakku on kuitenkin kohtuuttoman kallis vaihtoehto. Lyijyakku on hinnaltaan ja ominaisuuksiltaan vielä pitänyt pintansa, mutta akuston elinikä on alhainen ja paino suuri. Nikkeli-metallihydridi on yleinen ratkaisu nykyisissä sähköautoissa, mutta huomattavasti kalliimpi vaihtoehto lyijyakkuun verrattuna. Euroopan unioni on kieltänyt nikkeli-kadmium-akkujen käyttämisen uusissa sähköautoissa. [17][20][30][34] 2.3 Hybridiratkaisut Hybridiautossa on kaksi erillistä moottoria. Tavallisesti yhdistetään polttomoottori, joko bensiini- tai dieselkäyttöinen, ja sähkömoottori. Polttomoottorissa voidaan myös käyttää biopolttoaineita tai se voidaan korvata polttokennolla. Hybridiautossa osan työstä hoitaa bensiinimoottori ja osan sähkömoottori. Sähkömoottorin ja polttomoottorin käyttö vaihtelevat kuormituksen mukaan. Tarkoituksena on, että polttomoottori kävisi hyötysuhteen kannalta optimaalisella kierroslukualueella. Lisäksi sähkömoottoria voidaan käyttää lisävoiman lähteenä. Tällöin lisävääntöä tulee tarvittaessa, kun polttomoottori ja sähkömoottori käyvät yhtäaikaisesti. Esimerkiksi Toyota Priuksessa auto on sähkökäyttöinen pienillä nopeuksilla ja lyhyitä matkoja ajattaessa ja polttomoottori käynnistyy vasta suurissa nopeuksissa ja pitkillä matkoilla. [30][35][36]

16 16 Kuva 2.1: Sähkömoottorin (imiev) ja bensiinimoottorin vääntömomentti moottorin kierrosnopeuden funktiona. [37] Hybridiautot voidaan jakaa kolmeen eri luokkaan, stop-start hybridiin, kevythybridiin ja täyshybridiin. Stop-start hybridissä sähkömoottori on hyvin pieni eikä se yksinään liikuta autoa, mutta sitä käytetään käynnistyksen yhteydessä, jolloin polttomoottori käynnistyy hyvin nopeasti. Polttomoottori voi sammua auton ollessaan paikallaan ja käynnistyä uudelleen kun kuljettaja painaa kaasupoljinta. Stop-star hybridi säästää polttoainetta vain noin 10 %. Kevythybridissä on stop-start toiminnallisuus, mutta sähkömoottori on riittävän tehokas antamaan lisätehoa auton liikuttamiseen. Kevythybridi ei kuitenkaan toimi pelkällä sähkömoottorilla. Jarrutusenergia voidaan ottaa talteen. Kevythybridi säästää polttoainetta noin 25 %. Täyshybridi voi toimia pelkällä polttomoottorilla, pelkällä sähkömoottorilla tai molemmilla. [17][35] Hybridiautoissa on mahdollista uudelleenkäyttää osaa jarrutusenergiasta. Tällöin auton sähkömoottori toimii generaattorina ja lataa akkuja. Akut latautuvat tarvittaessa myös polttomoottorin käydessä. Hybridiauton ainoa energianlähde on polttoaine, mutta tällä hetkellä kehitetään plug-in-tyyppistä hybridiauto järjestelmää, jossa akkuja voidaan ladata sähköverkon avulla. Plug-in-hybridien yleistyminen saattaisi vauhdittaa myös sähköajoneuvojen yleistymistä samojen tekniikoiden vuoksi. [17][29][35][36]

17 Erilaiset hybridikäytöt: 17 Kuva 2.2: Sarjahybridi. Sarjakäyttöisessä hybridissä polttomoottori pyörittää generaattoria, joka lataa akkua. Sähkömoottori saa sähköenergian akulta. [17][30]

18 18 Kuva 2.3: Rinnakkaishybridi. Rinnakkaiskäyttöisessä hybridissä vaihdellaan voimansiirtoa polttomoottorin ja sähkömoottorin kesken. Lisäksi jarrutusvoima otetaan talteen generaattorilla. [17][30] Kuva 2.4: Yhdistelmähybridi. Yhdistelmähybridissä polttomoottori pyörittää generaattoria ja siirtää voimansa edelleen voimansiirrolle. Akut saavat sähköenergiaa polttomoottorilta ja jarrutusenergiasta.[17][30]

19 2.4 Vety 19 Vety on yksi parhaista polttoaineista energiasisältönsä kannalta. Vety sisältää huomattavasti enemmän energiaa massaan (121MJ/kg) nähden kuin muut käytetyt polttoaineet, mutta kaasumaisessa muodossa vedyn energiatiheys (1,6GJ/m 3 ) on varsin heikko. Vety on vuotoherkkä ja sen syttymisalue on laaja. Vety voi syttyä, mikäli sitä on ilmassa 4-75 % tilavuudesta. Vety ei esiinny vapaana maapallolla vaan se pitää aina valmistaa. [38][39] Vedyn valmistaminen Vetyä voidaan valmistaa usealla eri tavalla. Lähtökohtana olisi, että vetyä voitaisiin valmistaa tehokkaasti, taloudellisesti ja saasteettomasti. Teollisuudessa vedyn valmistukseen käytetään tällä hetkellä lähinnä höyryrefermointia ja elektrolyysiä. Höyryrefermointi on näistä kahdesta yleisimmin käytetty, koska se on tällä hetkellä kustannustehokkaampi. [40][41] Höyryrefermoinnissa kaasu- tai nestemäisen hiilivedyn hiiliketjun ja vedyn väliset sidokset rikotaan. Hiilivetynä käytetään yleisesti maakaasun metaania, joka reagoi vesihöyryn kanssa muodostaen hiilimonoksidia ja vetyä. Prosessi tapahtuu korkeassa paineessa (3-25 bar) ja lämpötilassa ( C) ja prosessin nopeuttamiseksi käytetään nikkelikatalyyttiä. Syntynyt hiilimonoksidi reagoi vielä käytetyn veden kanssa synnyttäen vetyä ja hiilidioksidia. Prosessi on kokonaisuudessaan endoterminen, joten se vaatii ulkoista energiaa. Höyryrefermoinnin reaktio: CH 4 +H 2 O CO + 3H 2 Hiilimonoksidin ja veden reaktio: CO + H 2 O CO 2 + H 2 [40][41] Elektrolyysi tarkoittaa kemiallisten reaktioiden aikaansaamista sähkövirran avulla. Vedyn valmistuksessa elektrolyysissä veteen johdetaan sähkövirtaa elektrodien kautta, jolloin vesimolekyylin vety pelkistyy katodilla ja happi hapettuu anodilla. Hyötysuhde on noin %. Hyötysuhdetta voidaan parantaa alentamalla kennojännitettä. Kennojännitettä voidaan alentaa kasvattamalla lämpötilaa. Tällaista elektrolyysiä kutsutaan höyryelektrolyysiksi. Lisäksi voidaan alentaa kennossa syntyviä jännitehäviöitä, jolloin kennojännitettä voidaan alentaa. [40][41]

20 Veden elektrolyysin reaktio: 20 4H 2 O + 4e - 2H 2 + 4OH - 4OH - O 2 + 4e - + 2H 2 O + 4e - Reaktio on päinvastainen alkalipolttokennon reaktion kanssa. Elektrolyysi on saasteeton tapa tehdä vetyä, mutta menetelmä on kallis, jos tuotetaan suuria määriä vetyä. Elektrolyysi tuottaa myös erityisen puhdasta vetyä. Kuva 2.5. Elektrolyysin periaatekuva. [41] Vetyä voidaan valmistaa myös termokemiallisesti. Termokemiallisessa menetelmässä energiana käytetään lämpöä. Tarkoituksena on, että vesimolekyyli hajotetaan vedyksi ja hapeksi. Nykyään tunnetaan satoja termokemiallisia menetelmiä tuottaa vetyä, mutta lupaavimpana pidetään jodi-rikki (I-S) ja kalsium-bromi (Ca-Br) menetelmiä. I-S menetelmän perustana ovat kemialliset reaktiot, joissa osareaktiot vaativat lämpöenergiaa. Kemiallisissa osareaktioissa jodi ja rikkioksidi reagoivat veden kanssa ja menetelmä vaatii korkeintaan 900 C lämpötilan. I-S menetelmän hyötysuhde on arvioitu olevan noin 48 % ja sen tekninen toteutus on vaikeaa. Muita menetelmiä vedyn valmistukseen on fotolyysi, jossa hyödynnetään auringon säteilyenergiaa sekä fotobiokemiallinen menetelmä, jossa käytetään hyödyksi fotolyysiä ja bakteereita.

21 Bakteerit toimivat tässä tapauksessa katalyyttinä veden hajottamisessa vedyksi ja hapeksi. [40][41] Vedyn varastointi ja kuljetus Liikennepolttoaineena vedyn yksi suurimmista ongelmista on sen varastointi. Vetyä voidaan varastoida kaasuna, nesteenä tai sidottuna erilaisiin kemiallisiin yhdisteisiin. Koska vety on räjähdysherkkä kaasu, vaaditaan varastoinnilta turvallisuutta. Polttoaineena vety ei kuitenkaan ole sen vaarallisempi polttoaine kuin bensiini. [40][42] Vedyn energiatiheys paineistettuna kaasuna on heikko ja parhaimmillaan komposiittirakenteisissa säiliöissä vedyn massa on yli 10 % koko varaston massasta. Paineistaminen vaatii energiaa noin 10 % vedyn sisältämästä energiasta, mikä laskee polttoaineketjun hyötysuhdetta. Vety on nestemäisessä muodossa vasta noin 20 kelvinin lämpötilassa. Nesteyttäminen vaatii tällöin huomattavan määrän energiaa eli noin 28 % varastoidun vedyn energiasta. Nestemäisessä muodossa energiatiheys on varsin hyvä, mutta energiavaraston täytyy olla erittäin hyvin eristetty. Nesteyttämisen vaatima energia pudottaa hyötysuhteen noin 70 % tasolle. Tässäkin tapauksessa tapahtuu vetykiehumaa, joka vaihtelee säiliön koosta riippuen. Tyypillisesti vetykiehuma on 0,06 % - 3 % nestetilavuudesta. [38][40][42] Yksi ratkaisu vedyn varastointiin on sen varastoiminen kemiallisiin yhdisteisiin. Näitä ovat muun muassa metallihydridit, aktiivihiilet, zeoliitit, lasipallot, fulleriinit ja nanoputket. Näistä aktiivihiili, nanoputket ja fulleriinit ovat tulevaisuuden teknologiaa. Vety omaa korkean reaktiivisuuden, joten se voi muodostaa hydrideja tuhansien metalliyhdisteiden kanssa, joka tarkoittaa, että vety liukenee näiden yhdisteiden kidehilaan. Jotta vety liukenisi metalliin, vaatii se tietyn lämpötilan, konsentraation ja paineen. Tämä rajoittaa useiden materiaalien käyttöä ja varastoidessa olisi hyvä käyttää materiaaleja, joihin vety liukenee C lämpövälillä ja noin 1-10 barin painevälillä. Reaktio on reversiibeli, jolloin vety vapautuu, kun liukenemiseen vaaditut olosuhteet menetetään ja ulkoista energiaa tuodaan reaktiolämpöä vastaava lämpömäärä. Vedyn energiatiheys tällä menetelmällä on varsin suuri mutta metallimatriisi tuo merkittävästi lisää painoa. [38][40][42] Ajoneuvokäyttöön 400 kilometrin toimintasäteen takaamiseksi vetyä tarvitaan noin 4 kilogrammaa, tällöin 150 litran polttoainetankkiin vety tarvitsee paineistaa 34MPa:n paineiseen. Polttoainetankin painon laskemiseksi tulisi käyttää komponenttirakenteista säiliötä teräsrakenteisen sijaan. Vedyn nesteyttäminen ajoneuvokäytössä olisi riskialtista ja vaatisi kalliita ja monimutkaisia järjestelmiä, mutta 4 kilogrammaa vetyä vaatisi tällöin vain 60 litran polttoainetankin. Tankin tilavuus ja paino kasvavat suureksi, jos vety varastoidaan metallihydridiin. Esimerkiksi Litium-alumiinihydridin painoksi tulisi 270 kilogrammaa ja tilavuudeksi 170 litraa. Tällöin vedyn energiamäärä vastaisi 57 litraa bensiiniä. [29]

22 22 Vedyn jakelun infrastruktuuri puuttuu lähes täysin. Maakaasuputkia voitaisiin käyttää vetykaasun siirtämiseen. Vetyä voidaan kuljettaa myös öljyn tapaan tankkereilla ja säiliöautoilla. Kuluttajatasolla infrastruktuuria ei kuitenkaan ole. Yksi oleellisimmista ongelmista vedyn varastoinnin ja kuljetuksen kannalta on vedyn diffuntoituminen metallirakenteisiin haurastaen niitä. Ongelma tulee vastaan maakaasuverkossa ja polttoainetankeissa, joihin olisi käytettävä erikoismateriaaleja.[38][42] Vetyasemia on tällä hetkellä harvassa ja maailmanlaajuisesti asemia on noin 100 kappaletta. Vetyauton tankkaus ei juuri eroa normaalista. Autoon liitetään putki, jota pitkin vety siirretään auton vetysäiliöön. Toimenpide kestää vain muutamia minuutteja. [29] Polttokennot Polttokenno on sähkökemiallinen laite, joka muuttaa kemiallisen energian sähköenergiaksi. Polttokenno koostuu elektrolyytistä, jonka toisella puolella on huokoinen anodi ja toisella puolella huokoinen katodi. Lisäksi hyötysuhteen parantamiseksi voidaan käyttää katalyyttiä, nostaa käyttölämpötilaa ja kasvattaa elektrodien pinta-alaa. Tällöin aktivointihäviöitä saadaan pienenettyä, mikä on suurin matalan lämpötilan kennon hyötysuhdetta laskeva tekijä. Aktivointihäviöt aiheutuvat elektrodien pinnalla tapahtuvien reaktioiden hitaudesta. Polttokennon anodille syötetään jatkuvatoimisesti vetyä ja katodille jatkuvatoimisesti happea. Tällöin elektrodilla tapahtuvan sähkökemiallisen reaktion kautta syntyy sähkövirtaa. Polttokennoja voidaan käyttää liikenteessä vedyn muuttamiseen sähköenergiaksi, joka voidaan muuttaa sähkömoottorilla liike-energiaksi. Polttokennon polttoaineena voidaan käyttää myös metaania, metanolia, etanolia, maakaasua, dieseliä, propaania, butaania ja bensiiniä. [34][40] Tällä hetkellä kehityksen kohteena on viisi erilaista polttokennoa, joita ovat kiinteä polymeerikenno, alkalipolttokenno, fosforihappokenno, sulakarbonaattikenno ja kiinteäokdsidikenno. Liikennesovelluksessa käytetään kiinteää polymeerikennoa. Kiinteällä polymeerikennolla on muutamia etuja verrattuna muihin polttokennoihin. Ne ovat kevyitä, niissä ei ole liikkuvia osia, toimintalämpötila on alhainen ja se toimii missä asennossa tahansa. Alkalipolttokenno on myös matalan lämpötilan polttokenno ja omaa paremman hyötysuhteen mutta ongelmana on isokokoisuus ja mahdollisesti liikkuva elektrolyytti. [29][30][40][43] Kiinteä polymeerikenno toimii seuraavan reaktioyhtälön mukaisesti: 2H 2 4H + + 4e - O 2 + 4e - + 4H + 2H 2 O 2H 2 + O 2 2H 2 O (Anodireaktio) (Katodireaktio) (Kokonaisreaktio)

23 Kiinteän polymeerikennon (PEMFC) elektrolyytimateriaalina käytetään polytetrafluorietyleeniä eli teflonia, joka on kemiallisesti stabiili, mekaanisesti kestävä, vettä sitova ja samalla hylkivä. Lisäksi sen lävitse pääsevät helposti H + ionit, joka on olennaista polttokennon toiminnalle. Kiinteän polymeerikennon katalyyttinä käytetään platinaa. Tyypillisesti toimintalämpötila on alle 120 C, jolloin se saadaan nopeasti käyttöön. Matalan toimintalämpötilan ansiosta polttokenno kuluu vähemmän, jolloin kestävyys ja elinikä paranevat. Kennoston rakenne on hyvin ohut, joten siitä saadaan pienikokoinen järjestelmä. Kennossa ei käytetä korroosiota aiheuttavia nesteitä ja se toimii missä asennossa tahansa. Kiinteän polymeerikennon polttoaineena voidaan käyttää puhdasta vetyä ja happi voidaan ottaa ilmasta. [40][29] Yhtenä mielenkiintoisena ratkaisuna voidaan pitää suoraa metanolipolttokennoa (DMFC), koska nestemäisen metanolin varastointi on paljon helpompaa kuin vedyn ja metanolin jo olemassa olevaa infrastruktuuria voidaan hyödyntää. Metanolipolttokenno on muunnos kiinteästä polymeerikennosta. Metanolipolttokennon rakenne, elektrolyytti ja katodireaktio ovat samoja mutta anodireaktio on erilainen kuin kiinteän polymeerikennon. [40][44] Suora metanoli polttokenno toimii seuraavan reaktioyhtälön mukaisesti: 23 CH 6 3 OH H 2O CO2 6H e (Anodireaktio) 3 O2 6H 6e 3H 2O 2 (Katodireaktio) 3 CH 3OH O2 CO2 2H 2O (Kokonaisreaktio) 2 Metanolin käyttö kennon polttoaineena on ongelmallista, koska reaktio tapahtuu erittäin hitaasti. Jännitehäviöt jäävät tällöin suuremmiksi ja hyötysuhde on heikko. Katalyyttitutkimus onkin metanolipolttokennon tärkeimpiä tutkimuskohteita. Muita ongelmia on metanolin vuotaminen membraanin läpi ja anodin myrkyttyminen. Myrkyttymisen estämiseksi on kehitetty seoskatalyyttejä. Metanolin vuotamisen estämiseksi membraani päällystetään ohuella kerroksella polybentsimitatsolia, joka läpäisee heikosti metanolin ionijohdetta. [44] Polttokennoston rakenne ja polttokennoajoneuvot Yksittäisen polttokennon kennojännite on pieni, noin 1V, joten yksittäisiä kennoja kytketään sarjaan. Kennot kytketään toisiinsa bipolaarilevyillä, joilla on useita tehtäviä. Bipolaarilevyt toimivat sähköjohtimina kennostojen välillä, tukevat rakennetta, sekä muodostavat virtauskanavat vedylle, hapelle ja jäähdytykselle. Yleensä bipolaarilevy tehdään grafiitista, johon työstetään urat eri kaasuvirtauksille.

24 24 Kuva 2.6: Yksinkertainen kuva bipolaarilevyn virtauskanavista. [40][45] Polttokennojärjestelmä koostuu myös useista muista komponenteista. Polttoaineen ja ilman syöttöön tarvitaan pumppuja, kompressoreita ja moottoreita. Kennostoa tarvitsee myös jäähdyttää. Tuotettu tasavirta tarvitsee jännitereguloida haluttuun jännitteeseen ja tarvittaessa muuttaa DC/AC muuntimella vaihtosähköksi. Lisäksi tarvitaan erilaisia säätimiä, turvajärjestelmiä, johdotuksia, putkistoja ja venttiilejä. [40][43] Vetypolttokennoauton pääosat ovat polttokennon ja vedyn syöttöjärjestelmän lisäksi sähkömoottori, taajuusmuuttaja, polttoainetankki ja akusto. Taajuusmuuttajaa käytetään samaan tarkoitukseen kuin sähköajoneuvossa. Akusto vetyautossa on pienempi kuin sähköajoneuvossa, koska sitä käytetään lähinnä energiapuskurina ja varastoimaan jarrutusenergiaa samalla tavalla kuin sähköajoneuvoissa. Vetypolttokennoautolla on kohtuullinen hyötysuhde. Polttokennon sähköinen hyötysuhde on noin 50 %. Polttokennoilla on lisäksi bensiinimoottoreita parempi hyötysuhde osakuormilla. Polttokennoautojen huonoja puolia ovat kallis hinta, vieras teknologia ja lyhyt käyttöikä. [29][40] Vetyä voidaan polttaa myös polttomoottoreissa. Vetypolttomoottoreilla on polttokennojen hyötypuolia mutta hyötysuhde huononee merkittävästi. Tällainen ratkaisu ei eroa bensiini- ja dieselajoneuvoista muutoin kuin polttoaineen ja polttoainejärjestelmän osalta. [17][29]

25 2.5 Maa- ja nestekaasu 25 Maakaasu on luonnonkaasu ja fossiilinen polttoaine, joka koostuu pääosin metaanista, mutta siinä on pieniä määriä etaania, propaania, typpeä ja muita raskaita hiilivetyjä. Maakaasu saadaan valmiina tuotteena suoraan öljy- ja kaasukentiltä. Erinäisiä kuivaus- ja puhdistustoimia lukuun ottamatta varsinaista jalostusta ei tarvita. Maakaasu on ehtyvä fossiilinen polttoaine, eikä näin ollen sovellu kestävään kehitykseen. Kuitenkin olemassa oleva maakaasuverkosto luo edellytykset biometaanin käyttöön. Biometaaniin siirryttäessä maakaasu takaa toimitusvarmuuden. Maakaasu voidaan varastoida ja kuljettaa samalla tavalla kuin jalostettu biokaasu. Tankkaus- ja moottoritekniikka on yhtälailla samanlainen jalostetun biokaasun kanssa. [19][20] Nestekaasu sisältää 98 % propaania ja 2 % butaania. Nestekaasu on normaalissa ilmanpaineessa kaasumaisessa olomuodossa mutta nesteytyy alle 10 baarin paineessa. Noin puolet maailmalla käytetystä nestekaasusta otetaan talteen öljy- ja kaasukentiltä, jolloin varsinaista valmistusta ei tarvita. Toinen puoli valmistetusta nestekaasusta syntyy raakaöljyn jalostuksen yhteydessä. Menetelminä ovat suoratislaus tai erilaiset krakkausprosessit. Suoratislauksessa kuumennettu raakaöljy pumpataan pystyasennossa tislauskolonniin, jossa on erilaisia välipohjia. Huipulta saadaan nestekaasu ja bensiinit, jotka edelleen jatkotislataan. Prosessissa nestekaasua saadaan raakaöljyn syötöstä 1-2 %. Nestekaasussa tulisi olla mahdollisimman pieniä määriä olefiineiksi kutsuttuja hiilivetyjä, koska niillä on pieni oktaaniluku ja ne karstoittavat moottoria. Suoratislaamalla saadaan olefiinivapaata nestekaasua. [18][20][46][47] Nestekaasu voidaan varastoida sille tarkoitettuun painesäiliöön, jossa paine on yli 25 baria. Nestekaasu vaatii kaksinkertaisen säiliötilavuuden bensiiniin verrattuna saman toimintamatkan saavuttamiseksi. Maakaasulla tilavuus olisi vastaavasti kuusinkertainen. Nestekaasua voidaan kuljettaa nykyisellä infrastruktuurilla säiliölaivoissa, rautateillä ja maantiekuljetuksena. Nestekaasu tankataan kiinteään polttoainesäiliöön. Tankkaukseen kuluva aika on lähes sama kuin tankattaessa bensiiniä tai dieseliä. Nestekaasuautoon tankattu nestekaasun painetaso on 5 15 bariin välillä riippuen lämpötilasta ja turvaventtiili on yleensä säädetty 25 bariin. Painesäiliö on rakenteensa vuoksi painavampi ja suurempi kuin bensiini- ja dieselpolttoainesäiliöt. Nestekaasuajoneuvossa on lukuisia turvallisuusominaisuuksia. Nestekaasusäiliöt ovat lujasti kiinnitetty törmäyksen varalta, säiliöissä on paineenpurkuventtiili ja tankkien venttiilit ja tuuletusaukot ovat kaasunpitävässä laatikossa. [15][17][20] Pienillä muutoksilla nestekaasua voidaan käyttää bensiinimoottoreissa. Polttoainejärjestelmä on kuitenkin muutettava kaasukäyttöiseksi. Nestekaasun energiasisältö tilavuusyksikköä kohden on pienempi kuin bensiinillä ja dieselillä. Nestekaasuajoneuvon kuluttaa noin % enemmän polttoainetta kuin bensiinikäyttöinen ja % enemmän kuin dieselkäyttöinen. Nestekaasuajoneuvon suorituskyky laskee noin 10 % bensiinikäyttöön verrattuna. Nestekaasulla on maakaasua huonompi puristuskestävyys, jolloin maakaasu on parempi vaihtoehto raskaaseen

26 26 kalustoon. Suurin osa nestekaasuajoneuvoista käyttää nestekaasua sekä bensiiniä. Kummallekin polttoaineelle on oma säiliönsä ja polttoainetta voidaan vaihtaa katkaisimella. [15][17][20] 3. Ympäristöystävällisyys 3.1 Biopolttoaineet Biopolttoaineiden käytön vaikutuksista päästöihin ja kokonaisenergiapanostuksiin on olemassa ristiriitaisia tutkimuksia. Toisaalta osassa tutkimuksia biopolttoaineet nähdään yhtenä merkittävimmistä mahdollisuuksista hiilidioksidipäästöjen vähentämiseen. Euroopan unionin kannalta biopolttoaineiden käyttö nähdään yksinkertaisimpana vaihtoehtona saavuttaa Kioton sopimuksen asettamat raja-arvot liikennesektorille. Biopolttoaineiden ympäristöhyödyt vaihtelevat suuresti raaka-aineen, viljelymetodien ja tuotantoprosessin perusteella. Biopolttoaineiden raaka-aineiden viljely aiheuttaa maaperän eroosiota, jonka suuruus riippuu viljeltävän kasvin mukaan. Rapsi ja viljakasvit ovat osoittautuneet maaperän kannalta hyviksi tuotantokasveiksi. [21] Biokaasu ja biodiesel Jalostettu biokaasu on ympäristöystävällinen polttoaine. Sen käyttö pienentää huomattavasti kasvihuonepäästöjä. Kasvihuonekaasupäästöt biometaanilla ovat % alhaisemmat verrattuna bensiiniin. Kaasuajoneuvoilla on alhainen melutaso ja ne ovat hajuttomia. Biometaanilla on alhaiset hiukkaspäästöt ja typenoksidipäästömäärät ja sen tuotantoon, varastointiin ja kuljetukseen tarvitaan vain vähän energiaa. Biometaani ei tuota jätteitä ja jäljelle jääneet tuotteet palaavat kiertoon. Kaatopaikoilta kerätty biokaasu ehkäisee metaanin pääsyn ilmakehään. [6][7][8][17] Biodiesel on biokaasun lailla ympäristöystävällinen ja sen käyttö vähentää merkittävästi pienhiukkas-, hiilimonoksidi- ja hiilivetypäästöjä, mutta se lisää hieman typen oksidin päästöjä. Puhtaan biodieselin käyttö alentaisi hiilidioksidipäästöjä % ja B5 suhteella hiilidioksidipäästöt ovat 2 2,5 % alhaisemmat. Biodiesel on rikitöntä. Biodieselin ja biokaasun ympäristöystävällisyydessä olisi kuitenkin otettava huomioon päästöjen kokonaisuus polttoaineen valmistuksesta sen käyttöön. Esimerkiksi raakaaineiden viljelyyn liittyvät päästöt ja fossiilisten polttoaineiden käyttö olisi huomioitava, tällöin puhutaan elinkaarianalyysistä. [17][22][23]