Tulevaisuuden ajoneuvoteknologiat ja liikenteen energianlähteet

Transkriptio

1 Tulevaisuuden ajoneuvoteknologiat ja liikenteen energianlähteet Kohti kestävää autoalaa Tulevaisuuden osaamishaasteet Valkea Talo, Helsinki TkT Juhani Laurikko, VTT

2 Sisältö Autoteollisuuden haasteet ja reunaehdot Liikenteen energiavaihtoehdot Voimalaitteet Polttomoottoritekniikka Still Going Strong! Hybridiautot Best of Both Worlds Sähköautot Glorius History, but How is the Future? Vety ja polttokenno the End Game? Yhteenveto

3 Haasteet

4

5 AJONEUVOTEOLLISUUDEN YMPÄRISTÖHAASTEET Evolution of Environmental Aspects kasvihuonekaasut tavanomaiset pakokaasupäästöt energian saatavuus Energy Greenhouse Gases CO 2 Exhaust Emissions CO,NOx,HC,PM vaikeusaste >>> K-EFAM, 1778/1-drob-fr 08/01 VOLKSWAGEN AG Group Research

6

7 Kehityshaasteet Suorituskyky Valmistuskustannukset Polttoainetalous Pakokaasupäästöt (lainsäädäntö)

8 Kehityshaasteet Suorituskyky Valmistuskustannukset TEKNISET SOSIAALISET POLIITTISET Pakokaasupäästöt (lainsäädäntö) Polttoainetalous

9 Liikenteen energiavaihtoehdot

10

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

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

13 nestemäiset (+bio) maa- ja biokaasu vety (H 2 ) Energian kantaja määrää voimalaitevaihtoehdot! vety (H 2 ) sähkö

14 Polttomoottorit

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

16 Henkilöautodieselit

17 Diesel on luonnostaan taloudellisempi kuin ottomoottori!

18 Henkilöautotarjontaa Suomessa y = e x R 2 = BMW M5 MB/McLaren SLR Roadster MB SL65AMG BMW M6 CO 2 (g/km) smart fortwo Citroen Jumper HDi Lada Niva Opel Astra GTC Peugeot Expert HDi 90/120 Mazda MX-5 Fiat Panda Mini One MB SLK 55AMG Peugeot Boxer HDi 120 BMW 318i Honda Civic Hybrid Citroen C1 HDi Peugeot 107 Citroen C1 Toyota Aygo Ford Fiesta Peugeot 207 Hdi 90 Toyota Prius Volvo V DrivE Land-Rover Defender BMW 320iA MB G 320 S400L Hybrid MB S400 y = e x R 2 = bensiinimoottori dieselmoottori Omamassa (kg)

19 kuva:

20 Diesel MY2011 vs. EU6 2014/ EU6 - diesel NO x (g/km) Moottoriperheitä: 214 EU6 hyväksyttyjä: Toyota Avensis 2.2 D-CAT Raja-arvo, diesel Toyota Verso 2.2 D-CAT Toyota RAV4 X2.2 D-CAT Audi Q7 CleanDiesel Mercedes-Benz E/ML/GL/R 350 BlueTec CO Kohti kestävää autoalaa - Tulevaisuuden osaamishaasteet 2 (g/km) Valkea Talo, Helsinki

21 ruiskutuspaineet kasvavat

22 MUU DIESELTEKNIIKKA - EGR Pakokaasun kierrätys = EGR Alentaa palamislämpötilaa Tarkka säätö välttämätön > sähköiset säätöventtiilit > lambda-ohjaus Intergointi imusarjaan ja sylinterinkanteen

23 Ahtamistekniikka

24 AHTAMINEN SÄÄTYVÄSIIPINEN TURBO

25 AHTAMINEN SÄÄTYVÄSIIPINEN TURBO Pienet kierrokset =pieni pakokaasuvirtaus

26 AHTAMINEN SÄÄTYVÄSIIPINEN TURBO Suuret kierrokset =suuri pakokaasuvirtaus Suuntaus keskelle estää ryntäyksen

27 Puhdistintekniikkaa

28 Hiukkassuodattimen toimintaa tehostetaan Eliminoidaan pre-kat Pienempi DPF-kenno Vähäisempi PGM-sisältö Lyhyempi regeneraatioaika Vähemmän jälkiruiskutusta Vähemmän öljylaimenemaa Lähde: Rinolfi

29

30 Kohti kestävää autoalaa - Tulevaisuuden osaamishaasteet Valkea Talo, Wolfgang Helsinki Hatz Audi AG

31 MB - BLUETECH

32 Bensa MY2011 vs. EU6 (2014/2015) Moottoriperheitä ~300 EU6 yhteensopivia 98 % 120 NOx [mg/km] EU6 raja-arvo Kohti kestävää autoalaa - Tulevaisuuden CO osaamishaasteet 2 [g/km] Valkea Talo, Helsinki

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

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

35 Keskeinen tavoite: säilytä pakokaasujen puhtaus, paranna polttoainetaloutta

36 GDI -suoraruiskustustekniikka GDI tekniikan käyttöönotto on keskeinen kehitysalue, sillä

37 GDI tarjoaa hyvää polttoainetaloutta

38 VW TSI TwinCharger Down-sizing

39 VW TSI TwinCharger remmiahdin turboahdin

40

41

42 Fiat Multi-Air TM

43

44

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

46

47 Uudet palamisprosessit

48 Uudet palamisprosessit Lähde: Volkswagen

49 Uudet palamisprosessit diesel- ja ottomoottorien välimaastossa tavoitteena erittäin matalat lämpötilat ja siten pienet NOx - päästöt esim. HCCI (homogeneous charge compression ignition) hyvä hyötysuhde kolmitoimikatalysaattori riittää pakokaasujen puhdistukseen vaikeasti hallittava, mutta sopinee ainakin hybridiautoon, jossa moottorin toiminta on kokonaan ohjainyksikön hallinnassa

50 A Serious Mismatch

51 Standardisykleissä moottorit toimivat vain pienellä osalla kuormitusalueestaan motorway urban NEDC

52 Standardisykleissä moottorit toimivat vain pienellä osalla kuormitusalueestaan

53 Oikeassakin ajossa paras hyötysuhdealue jää usein kokonaan hyödyntämättä!!!

54 Energian käytön vähentäminen kolme tietä Vähennetään ajoneuvon liikkumiseen tarvittavan energian tarvetta ja kehitetään energian talteenottoa Ajoneuvo Moottori Suoraruiskutusmoottorit ja uudet työkierrot (HCCI) Sähkömoottori Polttomoottori Polttokenno

55 Hybridiautojen tekniikkaa

56 Sähköinen ajovoimansiirto Hybridiauton idea eristää moottorin kuormitusten vaihtelulta moottorin toiminta helpompi optimoida voidaan käyttää erilaista työkiertoa (esim. Atkinson) mahdollistaa regeneratiivisen jarrutuksen, jolloin hyötysuhde paranee

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

58 Hybridiautoja markkinoilla... Toyota Auris HSD Myynti alkoi syksyllä 2010

59 Uusia hybridimalleja tulossa... Edessä: HDi diesel 120 kw /300 Nm Takana: sähkömoottori 27 kw /200 Nm Ei mekaanista yhteyttä! Peugeot 3008 HYbrid4 Markkinoille 2011

60

61 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)

62 Uudet energiankantajat

63 Kriittiset tekijät Critical Issues Saatavuus Abundance Polttoainejakelu Refuelling infrastructure Joku näistä rajoitteista määrää tason, johon enintään ylletään! Yhteensopiva kalusto Compatible engines&vehicles

64 Sähkö

65 Sähkö energianlähteenä H2 Etuja & hyötyjä: hyvin monipuolinen tuotantorakenne mahdollisuus käyttää uusiutuvaa ja kotoperäistä energiaa voimakas CO 2 vähenemä mahdollinen (riippuu sähkön tuotantotavasta) jakeluverkko olemassa Haittoja & haasteita: vaikea varastoida, hyvätakutvielä kehitteillä käyttöturvallisuus, mm. korkeat jännitteet vaatii uuden autokaluston

66 Sähkökäytön ominaisuuksia H2 Etuja & hyötyjä: Hyvä hyötysuhde reversibiliteetti Hyvä vääntömomentti liikkeellelähdössä Vähän mekaanisia osia >> pieni huollontarve Pyöramoottorit mahdollistavat uusia, joustaviajajopa radikaaleja rakennevaihtoehtoja Haittoja & haasteita: Teho-painosuhde vielä kaukana optimista Tehoyksikön hinta ei ole (vielä) kilpailukykyinen verrattuna polttomoottoriin Korkeiden jännitteiden turvallisuuskysymykset

67 Sähköautoilla loistelias historia

68 Sähköautoilla on pitkä historia 1900-luvun alkuvuosina sähköauto oli tasaväkinen ja täysin kilpailukykyinen vaihtoehtoihin, eli höyry- ja polttomoottori-käyttöisiin autoihin verrattuna 1900-luvun alkuvuosina Yhdysvaltain koko autokannasta sähköautot vastasivat noin 40 % osuutta 1903 Columbia Mark LX Electric Runabout 'Columbia Brougham' (1904)

69 Who Killed the Electric Car? Suspect No. 1 John D. Rockefeller et.al., perustaja, Standard Oil (1870), maailman suurin, ylikansallinen öljy-yhtiö vuoteen 1911 asti* kasvava petrokemian teollisuus alkoi tuottaa halpoja ja energiasisällöltään ylivoimaisia polttonesteitä polttomoottoreihin Petrokemian teollisuus on nykyisin maailman suurin teollisuushaara A view of Signal Hill, just north of Long Beach, California, in The "forest" that you see are oil derricks, all drilled in the 1920's. Photo courtesy of the Los Angeles Public Library Photo courtesy of the United States Library of Congress *historiallinen perillinen Juhani Laurikko: nyk. ExxonMobil Tulevaisuuden Corp. ajoneuvoteknologiat ja liikenteen energianlähteet

70 Who Killed the Electric Car? Suspect No. 2 Henry Ford, perustaja, Ford Motor Company (1903), maailman ensimmäin autojen suursarjavalmistaja Yhdysvaltain kasvava polttomottoriautoteollisuus alkoi tuottaa hinnaltaan halvempia autoja, jotka nostivat Amerikan pyörille Model T maksoi n. 500 USD Sähköautot maksoivat n USD Ford model T, 1908 Ford model T, tuotettiin yhteensä 15,007,034 kpl Henry Ford, 1911

71 Who Killed the Electric Car? Suspect No. 3 Charles F. Kettering, Dayton Engineering Laboratories Company (DELCO), patentoi polttomoottorin sähkökäynnistimen 1911 Ensimmäinen automerkki, jossa sitä käytettiin oli Cadillac, vuodesta 1912 Helpotti ratkaisevasti polttomoottorin käynnistämistä, joka aiemmin piti tehdä lihasvoimalla Varhaiset starttimoottorit olivat suorakytkentäisiä ja toimivat myös generaattoreina (vrt. nykypäivän hybridiautot!)

72 Sähköautojen tekninen kehitys pakastettiin

73 Uusi vuosituhat ja taas uusi yritys!

74 Sähköautojen tekninen kehitys on vasta alussa Suurin osa nykyisin käytössä olevista ja valmistettavista sähköautoista perustuu polttomoottoriautojen konversioihin Ford Focus EV Kuva: Magna

75 Sähköautojen tekninen kehitys on vasta alussa Suurin osa nykyisin käytössä olevista ja valmistettavista sähköautoista perustuu polttomoottoriautojen konversioihin Kuva: Mini / BMW Mini-E Kuva: Mini / BMW

76 Sähköautojen tekninen kehitys on vasta alussa Myös komponentit ovat pääosin lainatavaraa, eli vasta kovin vähän autokäyttöön suunniteltuja ja optimoituja mutta... Kuva: Dodge

77 joitain valmistajia jo markkinoilla... ZYTEK Inverter + Motor + Transmission

78 ja ICE-hybridit vauhdittavat sähköautojen kehitystä Polttomoottori-hybridiautojen sähkökäytössä aivan samoja komponenttitarpeita kuin puhtaissa sähköautoissa Akku Moottori Invertteri Kuva: Peugeot

79 sekä aitojen sähköautojen massavalmistus jo aluillaan! Citroën C-ZERO Nissan Leaf Mitsubishi imiev

80 mutta radikaalit EV komponentit ovat vasta tulossa... pyörämoottorit Mitsubishi Michelin

81 mutta radikaalit EV komponentit ovat vasta tulossa... superakut

82 Käyttökohde ohjaa akkujen kehitystyötä HEV PHEV BEV

83 Dr. Martin Linder McKinsey & Company

84 Best Battery Technologies

85 Perinteisillä polttoaineilla selkeä yliote - vaihtoehdot vielä altavastaajia Best Battery Technologies

86 Lataushybridit

87 Plug-In -hybridi 300 kpl koesarja 2010 sarjatuotanto Plug-in HEV eli lataushybridi yhdistää perinteiseen hybridiautoon latausmahdollisuuden sähköverkosta Toimintamatkaa sähköllä muutama kymmenen km Polttomoottori jatkaa toimintamatkaa normaaliksi

88

89 Volvo V70 PHEV proto

90 EREV-SÄHKÖAUTO: OPEL AMPERA/CHEVY VOLT 16 kwh:n litium-akusto toimintamatka sähköllä 60 km polttomoottorin iskutilavuus 1,4 l yhteisteho 150 hv vääntömomentti 370 Nm huippunopeus 161 km/h kiihtyvyys km/h 9 s ilmoitettu bensiinin kulutus ECE testissä 1,6 l/100 km CO 2 päästö alle 40 g/km Tuotanto käynnistyy 2011

91 on-board generator 1.4-liter ICE 16 kwh Li-Ion battery pack Kuva: GM Opel Ampera/Chevy Volt

92 Riittääkö 50 km/pvä ajomatka? 50 km/pvä 200 päivänä tuottaa 10,000 km/a Bensiinimoottoristen henkilöautojen keskisuorite Suomessa on noin 18,000 km/a, eli yli 50 % voidaan ajaa sähköllä! Latausmahdollisuuksia myös varsin runsaasti, kiitos lohkolämmittimiä varten rakennettujen ulkopistorasioiden ICE-PHEV ICE-HEV EREV Kohti kestävää autoalaa - Tulevaisuuden osaamishaasteet Valkea Talo, Helsinki BEV FCEV

93 Pääasialliset kehityskohteet Akkujen hinnan alentaminen hintaodotus massatuotannossa /kwh (nykytaso n /kwh) Lisää akkujen valmistuskapasiteettia avaa autojen tuotannon pullonkaulan Päätökset latausinfrasta (hidas/nopea) ja latausverkoston rakentamisen aloittaminen Uusien liiketoimintamallien kehittäminen esim. akkujen leasing Kuluttajien luottamuksen hankkiminen! ICE-PHEV ICE-HEV EREV Kohti kestävää autoalaa - Tulevaisuuden osaamishaasteet Valkea Talo, Helsinki BEV FCEV

94 Vety

95 H2 Vaihtoehto: Vety Etuja & hyötyjä: erittäin monipuolinen tuotantorakenne mahdollisuus käyttää uusiutuvaa ja kotoperäistä energiaa voimakas CO 2 vähenemä, vedyn tuotantotavasta riippuen Haittoja & haasteita: huono energiasisältö puuttuva jakeluinfra käyttöturvallisuus? (painesäiliöt) vaatii uuden kaluston (=polttokenno)

96 Polttokennon toiminta Tuottaa sähkövirtaa suoraan vedystä ja hapesta Ei palamista, matala toimintalämpötila (<100 o C) ei haitallisia päästöjä, syntyy vain puhdasta vettä!

97 n m n. 1 m n m

98 vety(kaasu) -säiliöt energiabufferi (kondensaattorit) jäähdyttimet tehoelektroniikka ja ajomoottori Polttokennoauto Honda FCX:n anatomia polttokenno apulaitteineen

99 Polttokennoautojen käyttökokeet Autoja koekäytössä noin 1000

100 Uusimpia polttokennoautoprotoja - Toyota Toyota Fine-X Toyota: Ennen kuin kaupallistaminen voi alkaa, kustannuksia pitää alentaa 99% Automotive Engineer (UK); Juhani Laurikko: August Tulevaisuuden 2005 ajoneuvoteknologiat ja liikenteen energianlähteet

101 Cost Redcutions 100/1 = 100>10 % 10/1 = 10>1 % Graph: Toyota

102 Dr. Martin Linder, McKinsey & Company

103 LoU Vetyauto markkinoille 2015 Vahva sitoutuminen, kaikki suuret valmistajat* mukana Valmistusmäärät merkittäviä, yli vuonna 2015 Infrastruktuuri rakentuu aluksi keskuksiin, EU/Saksa, USA/Kalifornia, JPN/Tokio-Yokohama *Daimler, Ford, GM/Opel, Honda, Hyundai, Kia, Renault/Nissan, Toyota Lähde:

104 Polttokennosähköautot polttoaine & jakelu

105 Vetytankkaus Mittava investointitarve!

106 Vedyn jakelu ja tankkaus tarjonta=asemat käyttöaste kasvaa hitaasti kysyntä=autot

107 Uusimpia polttokennoautoprotoja - Ford Vety Sähkö on vetyauton varapolttoaine! Sähkö Ford HyEgde

108 Hyötysuhdetarkasteluja

109 Energian käyttö: tankista pyöriin Pathway analysis Tank-to-Wheels (TTW) Polttoaine tankissa Fuel On-Board Tässä tarkastelussa sähkö ylivoimainen, mutta Sähkö akussa Electricity On-Board Energian muunto Energy Conversion Vetotyö Traction Work

110 Polttomoottorin energiatase

111 Voimalaitteiden luonteet erilaisia polttomoottori sähkömoottori/generaattori

112 Miten hyötysuhde koostuu sähköautossa? invertteri akku vetävä pyörä moottori voimansiirto

113 Käytännön esimerkki Regeneraation maksimointi on ratkaiseva tekijä

114 Polttoaineen tuotanto: lähteestä tankkiin Pathway analysis Well-to-Tank (WTT) Myös tämä osuus on otettava huomioon! 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

115 Energia ja voimalaitevaihtehtojen vertailu

116 Energia ja voimalaitevaihtoehtojen vertailu

117 LCA ottaa huomioon myös raaka-aineet, valmistuksen ja käytöstä poiston! hybrideissä raaka-aineiden ja valmistuksen osuus usein suurempi kuin tavanomaisissa autoissa!

118

119 Technology Roadmaps

120

121

122

123

124 Conventional Powertrains Game over? Powertrain diversity and convergence gasoline gasoline diesel gasoline diesel alternative fuels HCCI diesel alternative fuels EV / range extender EV / battery EV / fuel cell EV (battery / fuel cell) hybrid hybrid EV / range extender ? Automotive Technology 5 DS/NE-NA August 3, Robert Bosch LLC and affiliates. All rights reserved.

125 New powertrains: Estimated world market volumes volumes [mio. vehicles] , *) ICE (gasoline / diesel) EV and PHEV Hybrid Vehicles (HEV) Others (FlexFuel, CNG, LPG) Automotive Technology 9 DS/NE-NA August 3, 2010 Robert Bosch GmbH All rights reserved.

126

127 Yhteenveto ja johtopäätöksiä Conclusions

128 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 polttomottorin käyttökelpoisuutta

129 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-päästöinen ajomahdollisuus 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

130 Yhteenveto - Sähköauto Sähkökäyttö tarjoaa lupaavan reitin uusiutuvan ja hiilineutraalin energian tuomiselle liikenteeseen Teoreettinen hyötysuhdeperusta on hyvä, mutta komponenttikehitys ja tuotteistus on vasta alussa Sähkön tuotannon hiilitase on ratkaiseva ilmastovaikutusten kannalta ICE-PHEV EREV ICE ICE-HEV BEV

131 Loppu Kysymyksiä? Kiitos mielenkiinnostanne!