AUTOTEKNIIKAN KEHITYSSUUNTIA SATL 75 v. juhlaseminaari Nils-Olof Nylund

Transkriptio

1 AUTOTEKNIIKAN KEHITYSSUUNTIA SATL 75 v. juhlaseminaari Nils-Olof Nylund

2 SISÄLTÖ Autojen kehitystilanne Liikennesektorin haasteita Hiilidioksidipäästöihin vaikuttaminen Projektioita tulevaisuuteen Polttomoottoriautojen kehitysnäkymiä Sähköautot Polttoainevaihtoehdot Yhteenveto 2

3 AUTOJEN KEHITYSTILANNE Nykyaikainen henkilöauto on: luotettava mukava suorituskykyinen turvallinen säänneltyjen päästöjen osalta vähäpäästöinen Mitä voidaan parantaa henkilöautojen osalta? energiatehokkuutta kykyä hyödyntää uusiutuvaa tai CO2-neutraalia energiaa Raskaiden autojen osalta energiatehokkuus on perinteisesti paremmalla tolalla ja päästötkin tulevat hallintaan viimeistään Euro VI pakokaasuvaatimusten myötä 3

4 4

5 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 polttoaineen kulutus (EU yhd. l/100 km) 6,4 4,5 4,9 CO 2 päästö (g/km) (BlueMotion 99) hiukkassuodatin ei on Mitä jos koko tekninen kehitys olisi suunnattu pelkästään polttoaineen kulutuksen pienentämiseen? 5

6 Reduced fuel consumption Volvo FH12, 40 ton in traffic Volvo Technology Corporation Fuels and Lubricants, Anders Röj 6 STV seminar, Helsinki, December 15th, 2008

7 SÄÄNNELLYT PÄÄSTÖT (CO, HC, NO x, HIUKKASET) Euroopassa varsinaisia pakokaasupäästöjä on rajoitettu henkilöautojen osalta 70-luvulta ja raskaiden ajoneuvomoottorein osalta 80-luvulta alkaen Säännellyt päästöt ovat alentuneet todella merkittävästi kehittynyt moottoritekniikka ja sähköiset ohjausjärjestelmät pakokaasujen jälkikäsittely hyvälaatuiset polttoaineet alati kiristyvät päästömääräykset Miten uudistaa autokalusto riittävän nopeasti? Lähde: Laguna-Gomez

8 LIIKENNESEKTORIN HAASTEITA Energiaan liittyvät haasteet (joihin voidaan vaikuttaa tekniikalla): Lähipäästöt ja ilman laatu ensisijaisesti hiukkaset ja typpidioksidi tulevat kuntoon ainakin kehittyneillä markkinoilla Kasvihuonekaasupäästöt Energiatehokkuus Öljyriippuvuus ja energian riittävyys Haasteet joihin vaikutetaan mm. poliittisin keinoin: Suoritteiden kasvu ja ruuhkautuminen Yhdyskuntarakenteen hajautuminen Kuljetusmuotojen jakautumaan vaikuttaminen Liikenneonnettomuudet 8

9 LIIKENNESEKTORIN HAASTEITA Ympäristövaikutus on suoritteen (esim. ajokilometrit) ja yksikköpäästön (esim. g CO 2 /km tai g PM/km) tulo Teknisellä kehitystyöllä vähennetään yksikköpäästöjä tai esim. energiankulutusta Mm. kansainvälinen energiajärjestö IEA on huolissaan maailman autokannan ja suoritteiden kasvusta Jos autojen lukumäärä kolminkertaistuu vuoteen 2050 mennessä ominaispäästöjä pitäisi leikata 2/3 päästömäärien vakioimiseksi ja vielä enemmän päästöjen alentamiseksi! Lähde: Short

10 HIILIDIOKSIDIPÄÄSTÖIHIN VAIKUTTAVIA TEKIJÖITÄ Käyttö Kuorma Olosuhteet Ajosuorite Polttoaineen hiili-intensiteetti Liikenteen sujuvuus Ajovastukset paino ilmanvastus vierinvastus Informaatiojärjestelmät Ajotapa Voimalaitteen ominaisuudet Voimalinjan ominaisuudet manuaali/automaatti hybridi Tekniikka 10

11 JAPANISSA LIIKENTEEN CO 2 -PÄÄSTÖT ON KÄÄNNETTY LASKUUN Mt CO2 BAU I ntroduction of the top-runner standards Target Mt CO2 reduction by 2010 Vehicle tech. measures Mt CO2 Traffic control measures Mt CO2 Fuel tech. measures 1.2 Mt CO2 Ajoneuvotekniikka 42 % Liikenteen ohjaus 56 % Polttoainetekniikka 2 % N. Iwai/NEDO 12/

12 TULEVAISUUDEN PAALUTUS EU on viitoittanut kehityksen vuoteen 2020 asti varsin yksiselitteisesti Kansainvälinen energiajärjestö IEA on tehnyt projektioita vuosiin 2030 ja

13 JOULUKUUSSA 2008 VAHVISTETUT DIREKTIIVIT Uusiutuvaa energiaa koskeva direktiivi (RES) uusiutuvan energian (biopolttoaineet + sähkö) osuus liikenteessä on 10 % vuonna 2020 (sitova velvoite) uutta tässä on, että uusiutuva sähkö on nostettu biopolttoaineiden rinnalle direktiivi sisältää lisäksi mm. yleisiä vaatimuksia liikenteen biopolttoaineille, kestävyyskriteerejä ja tyypillisiä lukuja elinkaaren kasvihuonekaasuvähenemille eri biopolttoainevaihtoehdoille RES-direktiiviä täydentävä polttoaineiden laatudirektiivi (muutos direktiiviin 98/70/EY) polttoainedirektiiviin sisältyy vaatimus liikennepolttoaineiden hiili-intensiteetin vähentämisestä vähentämistavoite vuoteen 2020 mennessä on 10 % pakollinen osuus, 6 %, toteutetaan mm. biokomponentteja käyttämällä ja jalostamoiden soihdutusta vähentämällä, 4 % muilla toimilla etanolin pitoisuus bensiinissä maks. 10 %, FAME:n pitoisuus dieselissä maks. 7 % 13

14 JOULUKUUSSA 2008 VAHVISTETUT DIREKTIIVIT Henkilöautojen pakolliset CO2-päästörajat päästöraja 120 g/km itse autojen osalta keskimääräisen CO2-päästön tulee olla enintään 130 g/km vaatimus tulee voimaan vaiheittain lisäksi CO2-päästöjä vähennetään 10 g/km täydentävin toimenpitein, kuten biopolttoaineiden käytöllä ja esim. renkaita parantamalla vuoden 2020 alustava tavoite on 95 g CO2/km. Raskaan kaluston Euro VI päästörajat tulevat voimaan nopeutetulla aikataululla uusille moottorityypeille jo joulukuussa 2012 Euro V rajoihin verrattuna (ETC-testi) hiukkaspäästöjä leikataan 67 % ja NOx-päästöjä peräti 80 % Lisäksi vaatimus kasvihuonekaasupäästöjen vähentämisestä Suomen osalta 16 %:n vähennys ei-päästökauppasektorilla (ml. liikenne) vuoteen 2020 mennessä tämä on itse asiassa kovempi velvoite kuin 10 %:n osuus uusiutuvaa energiaa 14

15 ÖLJYSTÄ RIIPPUMATON LIIKENNEJÄRJESTELMÄ.. ETP 2008 Liikkumisen määrä kolminkertaistuu vuoteen 2050 mennessä; ominaiskulutuksen pitäisi laskea kaksi kolmasosaa päästöjen stabiloimiseksi, vähentämiseen tarvitaan vielä suurempia ponnistuksia Henkilöautoihin on kiinnitetty varsin paljon huomiota, mutta muut kulkuvälineryhmät (kuorma-autot, lentokoneet, laivat) ovat jopa haasteellisempia, koska keinovalikoima on suppeampi (esim. CO 2 -vapaa sähkö, vety ongelmallisia), tarvitaan esim. tehokkaita BTLbiopolttoaineita Kaikkein tärkein toimenpide sekä henkilöautojen että muiden kulkumuotojen osalta on energiatehokkuuden parantaminen, henkilöautoissa polttoaineen kulutusta voitaneen vähentää 50 %, muissa autotyypeissä 30 % 15

16 ..ÖLJYSTÄ RIIPPUMATON LIIKENNEJÄRJESTELMÄ ETP 2008 Sähkö (akkusähköautot, verkosta ladattavat plug-in hybridit,) nähdään lupaavina vaihtoehtoina, akkutekniikan on kuitenkin kehityttävä ennen kuin läpimurto on mahdollinen pätee varsinkin puhtaisiin akkusähköautoihin Polttokennojen osalta on tapahtunut kehitystä, mutta polttokennoautot tarvinnevat ainakin vuoden kehityspanoksen kustannustason laskemiseksi ja vedyn varastointiongelmien ratkaisemiseksi Raide- ja joukkoliikennejärjestelmiä tulisi kehittää, samaten ei-motorisoitua liikkumista Energiatehokkuudella, sähkön osuutta lisäämällä ja tehokkailla toisen sukupolven biopolttoaineilla liikenteen hiilidioksidipäästöjä pystyttäneen leikkaamaan lähes 70 % vuoden 2050 perusskenaarioon verrattuna 16

17 ERI AJONEUVOJEN (HA) MARKKINAOSUUDET 2050 IEA:N ENERGY TECHNOLOGY PERSPECTIVES Perushybridit 5 60 % Plug-in hybridit 0 40 % Sähköautot 0 90 % Polttokennoautot 0 90 % Sähköiset vaihtoehdot odottavat edelleen läpimurtoa -> Tulevaisuuden ennustaminen on hankalaa! IEA ETP

18 MILLÄ 2050 PÄÄSTÖVÄHENEMÄT SAADAAN AIKAAN? 18

19 GENEVESSÄ MAALISKUUSSA 2009 JULKISTETTU 50 BY 50 Global Fuel Economy Initiative 50 by 50 Henkilöautokannan polttoaineen kulutuksen puolittaminen vuoteen 2050 mennessä Hankkeen takana kansainvälinen autoliitto FIA kansainvälinen energiajärjestö IEA International Transport Forum (OECD) YK 19

20 50 BY 50 TAVOITTEET 20

21 JAPANIN COOL EARTH TEKNOLOGIAOHJELMA Liikenteen osalta luetellaan: Cool Earth - Innovative Energy Technology Program Älykkäät liikennejärjestelmät (ITS) Polttokennoautot Plug-in hybridit ja akkusähköautot Biomassaan pohjautuvat vaihtoehtoiset polttoaineet Energy Suppliers Power generation/ transmission Power generation/ transmission (1) High-efficiency Natural Gas Power Generation - Focus on 21 Energy Innovation Technologies - Efficiency Improvement (2) High-efficiency Coal-fired Power Generation (6) High-efficiency Superconductive Power Transmission (7) Intelligent (8) Fuel Cell Vehicles Transportatio Transport System Transportatio n n (5) Advanced (3) Carbon Capture Nuclear and Storage (CCS) Power Generation (4) Innovative Photovoltaic Power Generation (9) Plug-In Hybrid Vehicles/Electric Vehicles Carbon Reduction (10) Production of Alternative Transportation Fuels from Biomass Energy Users Industry Industry Commercial/ Residential Commercial/ Residential (16) Ultra-highefficiency Heat Pump Cross-sectional Cross-sectional (11) Innovative Materials, Production/Processing Technologies (13) Energy-conserving (14) Next-generation Housing and Buildings High-efficiency Lighting (19) High-Performance Power Storage (17) Energy-conserving Information Devices and Systems (20) Power Electronics (12) Innovative Iron and Steel Processes (15) Stationary Fuel Cells (18) HEMS/BEMS/Localized EMS (21) Hydrogen Production, Transport and Storage (3)CCS Of these 21 technologies, NEDO is promoting the research and development of 19 N. Iwai/NEDO 12/

22 HYPE-AALLOT Polttokennot Biopolttoaineet Sähköautot? Hypetyksen jälkeen palataan aina todellisuuteen, mikään yksittäinen teknologia ei pelasta maailmaa 22

23 MOOTTORITEKNIIKAN KEHITYSSUUNTIA Kaikkien moottorien osalta normaali kehityspolku pitää sisällään: moottorin koon pienentämisen ja suhteellisen kuormitusasteen kasvattamisen ( downsizing ) ahtamistekniikan kehittämisen polttoaineen suoraruiskutuksen kitkan vähentämisen säätöparametrien lisääntymisen tehokkaat sähköiset ohjausjärjestelmät sähkökäyttöiset apulaitteet Suurin haaste polttoaineen kulutuksen ja päästöjen samanaikainen vähentäminen Lähde: Eckerle 2007 Tulevaisuuden mahdollisuuksia diesel- ja ottoprosessien parhaat puolet yhdistävät uudet palamisjärjestelmät pakokaasujen hukkalämmön hyödyntäminen (painopiste raskaissa moottoreissa) 23

24 HYBRIDIJÄRJESTELMÄT Autonominen hybridijärjestelmä yhdistää polttomoottorin ja sähkömoottorin osa jarrutusenergiasta saadaan talteen ja uusiokäyttöön sähkömoottori avustaa kiihdytyksissä ja tasaa polttomoottorin kuormaa polttomoottori voidaan mitoittaa normaalia pienemmäksi ja taloudellisemmaksi säästöpotentiaali parhaimmillaan luokkaa 30 %, riippuu kuitenkin hyvin paljon ajosyklistä kaupunkibussit oivallisin sovelluskohde huom.: pieni dieselhenkilöauto antaa toistaiseksi paremman kokonaistalouden kuin bensiinihybridi -> tarvetta alentaa hybriditekniikan kustannuksia Lähde: Volvo 24

25 Reducing CO 2 Adds Cost to Vehicle Powertrain 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) Reproduction permitted with due acknowledgement Future Demand and Quality Kenneth D Rose (CONCAWE) Source: Ricardo analysis communicated to CONCAWE (2008) 25

26 SÄHKÖAUTOT Akkusähköautot akut edelleen ongelma (paino/energiatiheys, hinta, kestoikä jne.) panostusta mm. litium-akkujen kehitykseen useampi autonvalmistaja tuo pieniä akkusähköautoja markkinoille vuonna 2010 Japanissa tavoitehinta etuna käytön päästöttömyys ja korkea hyötysuhde (luokkaa 60 % alempi energiankulutus polttomoottoriautoon verrattuna) CO 2 tase riippuu sähkön tuotantotavasta Johdinautoissa ei sähkön varastointiongelmia johdinautot yllättävän yleisiä Euroopassa (mm. Italia, Ranska, Sveitsi, Itä-Euroopan maat) Huom: Vertailu polttomoottoriauton ja sähköauton energiankulutuksen välillä ei ole täysin reilu, sähkö on energiaa jalossa muodossa, polttoaineet pelkkää lämpöarvoa 26

27 LISÄÄVÄTKÖ NÄMÄ TUTKIELMAT SÄHKÖAUTOJEN USKOTTAVUUTTA? 27

28 SUPERSÄHKÖAUTOJA 28

29 TUOTANTOMALLIT Toyota FT EV Mitsubishi i MIEV Olisitko valmis maksamaan (veroton hinta) tällaisesta autosta? 29

30 SÄHKÖAUTOLASKELMIA Energian kulutus ~ 0,15 kwh/km (pieni auto) Sähkön tuotannon CO2 päästöt EU-keskiarvo 405 g/kwh Suomi-keskiarvo 170 g/kwh Nord Pool 100 g/kwh Pienen sähköauton CO2 päästö (elinkaari) g/km Litium-akkujen nykyhinta /kwh Toyota FT EV:n akkupaketti 11 kwh (toimintamatka 80 km) Akkupaketti maksaa siis ! Latausteho 3,5 kw (220 V, 16 A) Bensiinillä tankkausteho ~ 10 MW! Litium-akku painaa 1 kg/100 Wh Pikkuauton tai plug-in hybridin akkupaketti painaa n. 150 kg, perheautokokoluokan sähköauton akkupaketti (30 kwh) painaa luokkaa 300 kg 30

31 PLUG-IN HYBRIDI Päivät kuuma teema, saattaa mullistaa henkilöautomarkkinat ajan myötä Plug-in HEV eli lataushybridi yhdistää perinteiseen hybridiautoon latausmahdollisuuden sähköverkosta Toimintamatkaa sähköllä luokkaa 50 km Polttomoottori/generaattori jatkaa toimintamatkaa, akut eivät yhtä kriittisiä kuin akkusähköautossa, koska akkukapasiteetti ei rajoita auton käyttöä Ei vaadi infrastruktuurimuutoksia Priuksen pohjalle on tehty konversioita tarjolla useita kaupallisia akkupaketteja Useilla valmistajilla kehityshankkeita, kaupallistuminen 2010 (?) GM Volt/Opel Ampera Toyota Volkswagen Fisker Karma... 31

32 OPEL AMPERA 16 kwh:n litium-akusto T-muotoisena ratkaisuna 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 CO2 päästö alle 40 g/km 32

33 AKKUKAPASITEETIN TARVE JA AKKUKUSTANNUS ETP 2008/Cazzola

34 SVEITSILÄINEN PROJEKTIO SÄHKÖAUTOJEN YLEISTYMISESTÄ Henkilöautokanta n. 4,8 miljoonaa ALPIQ

35 POLTTOKENNOAUTOJEN KEHITYSTILANNE Current Status [The first FCX] Zero CO2 emission Started lease sales in 2002 (10 million yen per year) Short mileage (300 km) Actual seating capacity is 2 Weight saving of hydrogen tank Extension of fuel cell life [fuel cell vehicle] Hydrogen/fuel cell Limited sale in km mileage 4 Seats [Hydrogen vehicle] Started lease sales in 2006 (5 million yen per year) Can run on gasoline as well Action Program Enhancement of R&D for fuel cells Establishment of hydrogen infrastructure times fuel cell life, 1/5 cost [Next-generation fuel cell vehicle] Further lower price 1.5 times fuel cell life, 1/4 cost [Next-nextgeneration fuel cell vehicle] Further lower price Honda Clarity Hinta n. 20 x nykyauto N. Iwai/NEDO 12/

36 POLTTOAINEVAIHTOEHTOJEN ARVIOINTI Raaka-aineen saatavuus Elinkaaren GHG päästöt Elinkaaren energia Kestävä kehitys Konversioprosessi Kokonaiskustannukset Yhteensopivuus jakelujärjestelmä Turvallisuus Yhteensopivuus ajoneuvot Ajoneuvojen suorituskyky Käytännöllisyys Pakokaasupäästöt 36

37 BIOPOLTTOAINEIDEN KEHITYSKAARI A. Röj 2006 BIOFRAC 2006 IEA:n BLUE Map skenaariossa biopolttoaineet 26 % vuonna 2050 (ETP 2008) 37

38 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 EU on jo päättänyt vuoden 2020 linjauksista Vuoteen 2050 mennessä koko liikennejärjestelmä on suurten mullistusten edessä 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 38

39 ...YHTEENVETO... Tekniikka tulee ratkaisemaan terveydelle haitallisten lähipäästöjenpäästöjen ongelmat, ja tulevaisuuden haasteet liittyvätkin ensisijaisesti CO 2 päästöjen vähentämiseen Energian säästö ja energiatehokkuuden nosto nähdään merkittävimpinä keinoina CO 2 päästöjen vähentämisessä Sähkön merkitys kasvaa sekä apulaitteissa että voimalinjassa, hybriditekniikka tulee useimpiin ajoneuvoryhmiin Henkilöautojen polttoaineen kulutusta voitaneen laskea luokkaa 50 %, muiden autojen luokkaa 30 % keinovalikoimassa moottorin hyötysuhteen parantaminen, auton painon ja ajovastusten pienentäminen sekä hybridisointi 39

40 ...YHTEENVETO Parhaimmat biopolttoaineet alentavat kasvihuonekaasupäästöjä yli 80 % kaikki biopolttoaineet eivät kuitenkaan tuo merkittäviä kasvihuonekaasuvähenemiä Sähköautot ovat yksi tapa tuoda uusiutuvaa tai CO 2 neutraalia energiaa liikenteeseen Yleinen näkemys on, että verkosta ladattavat sähköautot (akkusähköautot ja plug-in hybridit) tulevat yleistymään henkilöautopuolella Sekä akkusähkö- että polttokennoautojen tulevaisuuteen liittyy epävarmuustekijöitä Verkkosähkön varastointiin perustuvat tekniikat eivät tuo merkittävää helpotusta raskaan kaluston puolelle Raskas kalusto tulee, varsinkin pitkillä matkoilla, yhä edelleen tarvitsemaan dieselmoottoreita 40

41 VAIHTOEHTOISIA POLTTOAINEITA JA UUSIUTUVAA ENERGIAA Agroetanol 41

42 JA ENTÄPÄ SE KULUTTAJIEN VALVEUTUNEISUUS? MIKAMA/Tekniikka & Talous 42