JAAKKO PAAVOLA AKUT SÄHKÖAUTOJEN ENERGIAVARASTONA

Transkriptio

1 I JAAKKO PAAVOLA AKUT SÄHKÖAUTOJEN ENERGIAVARASTONA Kandidaatintyö Tarkastaja: lehtori Risto Mikkonen

2 2 TIIVISTELMÄ TAMPEREEN TEKNILLINEN YLIOPISTO Sähkötekniikan koulutusohjelma PAAVOLA, JAAKKO: Akut sähköautojen energiavarastona Kandidaatintyö, 37 sivua Toukokuu 2008 Pääaine: Moderni sähköenergiatekniikka Tarkastaja: lehtori Risto Mikkonen Avainsanat: Sähköauto, akkusähköauto, akku, sähköautoakku Sähköauton toiminta rakentuu pääpiirteissään energiavaraston (energialähteen), sähkömoottorin ja mekaanisen välityksen ympärille. Energiavarastonaan sähköautot käyttävät yleensä joko akkua, polttokennoa, vauhtipyörää, ultrakondensaattoria tai näiden yhdistelmää. Tässä työssä keskitytään tarkastelemaan akkua sähköauton energiavarastona, mutta sivutaan myös muita mainittuja vaihtoehtoja, ennen kaikkea vertailupohjana akkuun nähden. Akun toiminta perustuu kemiallisen energian muuttumiseen sähköksi kennoreaktiossa. Tämä ilmiö tapahtuu sähkökemiallisessa eli galvaanisessa kennossa. Akku koostuu useasta tällaisesta kennosta. Kennoreaktiot muodostuvat elektrodien ja elektrolyytin välillä tapahtuvista hapettumis- ja pelkistymisreaktioista. Akuilta edellytetään ajoneuvokäytössä ennen kaikkea korkeaa ominaisenergiaa mahdollisimman pitkän toimintamatkan tuottamiseen, korkeaa ominaistehoa kiihtyvyyden tuottamiseen, halpaa hintaa sekä pitkää elinikää. Akun elinikään on käyttäjän mahdollista itse vaikuttaa, jos hänellä on perustiedot akulle sopivista käyttö- ja varastointiolosuhteista ja jos hän tunnistaa epätasapainoon joutuneen akun. Huomion arvoisia akun ominaisuuksia ovat myös esimerkiksi soveltuvuus eri toimintalämpötiloihin, hyötysuhde sekä varaamisen kesto. Akkutyyppejä on kehitetty sähköautokäyttöön useita. Merkittävimpiä ovat lyijyakut, nikkelipohjaiset nikkeli-kadmium-, nikkeli-rauta- ja nikkeli-metallihydridi -akut, natriumpohjaiset natrium-rikki- ja natrium-nikkelikloridi -akut sekä litiumpohjaiset litium-polymeeri- ja litium-ioni -akut. Näistä suurimmat tulevaisuuden odotukset kohdistuvat litiumpohjaisiin akkuihin. Ennen kuin sähköautot voivat yleistyä, on ratkaistava minkälaiset lataus- ja maksujärjestelmät otetaan käyttöön. Lataamisen (varaamisen) on oltava vaivatonta ja mahdollisimman nopeaa, jotta sähköauto voi saavuttaa suosiota. Sähköauton käytön suurin etu on sen ympäristöystävällisyydessä. Sähköauto ei synnytä päästöjä ajon aikana lainkaan, vaan ainoat päästöt syntyvät sähköauton ja sen osien valmistamisessa sekä sähköautoa liikuttavan sähköenergian tuottamisessa. Koko energiaketjun hyötysuhteessa sähköauto voittaa polttomoottoriauton selvästi, joten sähköauto tuottaa joka tapauksessa huomattavasti vähemmän päästöjä kuin polttomoottoriauto. Sähköauton sähkö on tietysti myös mahdollista tuottaa täysin päästöttömillä energialähteillä, vaikkapa tuulivoimalla. Sähköautojen odotetaankin syrjäyttävän polttomoottoriautot tulevaisuudessa ja tuovan siten helpotusta ilmansaasteja hiilidioksidipäästöongelmiin sekä huoleen öljyn kallistumisesta ja loppumisesta. On vaikea ennustaa, minkälaisilla energiavarastoratkaisuilla tulevaisuuden ajoneuvot liikkuvat; akkusähköautojen ohella polttokennoautojen tekniikka vaikuttaa tällä hetkellä lupaavalta. Kummassakin tekniikassa on hyvät ja huonot puolensa, mutta niitä ei tarvitse nähdä välttämättä toistensa kilpailijoina: eri energiavarastoratkaisujen yhdistämisellä saavutetaan nimittäin merkittäviä etuja.

3 3 ALKUSANAT Tämä kandidaatintyö on tehty Tampereen teknillisen yliopiston elektroniikan laitoksella kevään 2008 aikana. Haluan kiittää elektroniikan laitoksen kandidaatintöistä ja kandidaatintyöseminaareista vastannutta opetushenkilökuntaa erittäin mielenkiintoisesta työn aiheesta sekä positiivisesta ilmapiiristä, joka vallitsi luennoilla ja seminaareissa. Työni ohjaajana toimi lehtori Risto Mikkonen, jolle kuuluu erityiskiitos siitä kannustavasta palautteesta ja ystävällisestä tuesta, jota hän tarjosi minulle kirjoitusprosessin aikana. Rikulle kiitoksia tarkoista huomioista työni opponoijana. Kiitokset myös muille elektroniikan laitoksen kandidaatintyöryhmään kuuluneille opiskelijoille seminaariesitykseni herättämistä monista kysymyksistä sekä mukavista ja kiintoisista seminaarihetkistä. Tampereella Jaakko Paavola

4 4 SISÄLLYS 1.Johdanto Sähköautot Sähköauton rakenne Sähköauton tehon tarve Vierintävastusteho Ilmanvastusteho Mäkivastusteho Kiihdytysvastusteho Akun teoreettinen suorituskyky Akun toiminta Teoreettinen jännite tasapainotilassa Teoreettinen kapasiteetti ja ominaisenergia Akun ominaisuudet Ominaisenergia, energiatiheys, paino Kapasiteetti, kokonaisenergiamäärä Akkukustannukset Elinikä/käyttöikä Lämpötilan vaikutus Hyötysuhde Ominaisteho, tehotiheys, teho Pikavarauskyky Akkutyypit Lyijyakut Nikkelipohjaiset akut Nikkeli-kadmium- ja nikkeli-rauta -akut (Ni-Cd ja Ni-Fe) Nikkeli-metallihydridi -akut (Ni-MH) Litiumpohjaiset akut Litium-polymeeri -akut (Li-P) Litium-ioni -akut (Li-Ion) Natrium-pohjaiset akut Natrium-rikki -akut (NaS) Natrium-nikkelikloridi -akut (NaNiCl2) Muut akkutyypit Akkusähköautoihin liittyviä tekijöitä Lataus- ja maksujärjestelmät Ympäristökysymykset Akun käyttöikä ja siihen vaikuttavat tekijät Akun käyttöikä ideaalisessa tapauksessa Akuston todellista käyttöikää lyhentävät tasapaino-ongelmat Kilpailevat ja täydentävät energialähteet Ultrakondensaattorit... 33

5 Vauhtipyörät Polttokennot Johtopäätökset ja tulevaisuudennäkymiä...35 Lähteet...36

6 6 TERMIT JA NIIDEN MÄÄRITELMÄT A Korin otsapinta-ala A n Tien nousuprosentti a X Osaslajin aktiivisuus C/3 tai C 3 Purkunopeus 1/3 kapasiteetista tunnissa C/5 tai C 5 Purkunopeus 1/5 kapasiteetista tunnissa C Sähkökemiallisen kennon kapasiteetti C d Korin ilmanvastuskerroin C r Renkaiden vierintävastuskerroin C S Materiaalin ominaiskapasiteetti C z Kiihdytysvastustehon lausekkeessa tarvittava vakio E p Akusta purettaessa saatu energia E S Ominaisenergia E v Akkuun varattaessa viety energia. F Faradayn vakio F x Ajoneuvon liikettä vastustava voima ΔG Gibbsin energian muutos ΔG Gibbsin energian muutos standarditilassa g Maan vetovoiman aiheuttama kiihtyvyys ΔH Reaktioentalpia K Reaktion tasapainovakio M Aktiivisen materiaalin moolimassa m a Auton kokonaismassa n R Reaktioon osallistuvien elektronien määrä n S Stoikiometrisessä reaktiossa siirtyneiden elektronien ainemäärä P k Pyörien käyttöteho P k1 Vierintävastusteho P k2 Ilmanvastusteho P k3 Mäkivastusteho P k4 Kiihdytysteho Q Reaktiossa siirtynyt sähkömäärä R Yleinen kaasuvakio ΔS Entropiamuutos U Kennon sähkömotorinen voima (jännite) U Kennoreaktion normaalipotentiaali U tp Teoreettinen kennojännite V Kennon napajännite V 0 Kennon termodynaaminen jännite v Auton nopeus W Kennon reaktion aikana tekemä työ η Hyötysuhde

7 7 μ X Osaslajin X kemiallinen potentiaali μ X Osaslajin X kemiallinen potentiaali standarditilassa ρ Ilman tiheys Φ T Tien nousukulma Φ V Elektrodin hapettumis-pelkistymispotentiaali Φ katodi /Φ anodi Elektrodireaktioiden normaalipotentiaalit standarditilassa USABC DOD ZEV Zn/Br 2 US$ United States Advanced Battery Consortium Depth of discharge, purkaussyvyys Zero emission vehicle, nollapäästöajoneuvo Sinkki/dibromidi Yhdysvaltain dollari Aktiivisuus Anodi Elektrodi Elektrolyysi Elektrolyytti Entalpia Entropia Faasi Hapettuminen Mitta sähkökemiallisen systeemin osaslajien keskinäiselle vuorovaikutukselle epäideaalisissa kaasuissa ja liuoksissa. Puhtaille kiinteille ja nestemäisille aineille aktiivisuus on 1, ja kaasuille aktiivisuutta voidaan approksimoida osapaineella tai konsentraatiolla, joka on skaalattu standardiolosuhteiden paineella tai konsentraatiolla. Elektrodi, jonka pinnalla tapahtuu hapetusreaktioita. Sähköä johtava osa sähkökemiallisessa kennossa, joka on kontaktissa elektrolyytin kanssa ja jonka pinnalla tapahtuu hapetus- tai pelkistysreaktioita. Vedyn tuottaminen vedestä sähkövirran avulla. Vapaita ioneita sisältävä aine, joka johtaa sähköä. Sähkökemiallisessa kennossa elektrolyytti erottaa anodin ja katodin fyysisesti toisistaan. Monitulkintainen termodynamiikan perussuure. Entalpian lauseke on H = U + pv, missä U on systeemin sisäenergia, p systeemin paine ja V tilavuus. Vakiopaineessa tapahtuvassa prosessissa entalpian muutos on yhtä suuri kuin siirtyvä lämpöenergia. Kutsutaan myös lämpösisällöksi Fysikaalinen suure, joka ilmaisee epäjärjestyksen määrän systeemissä. Systeemin homogeeninen osa-alue, jota erottaa rajapinta toisesta faasista. Reaktio, jossa osaslajin (molekyyli, atomi tai ioni) hapetusluku kasvaa (osaslaji menettää elektroneja).

8 8 Katodi Elektrodi, jonka pinnalla tapahtuu pelkistysreaktioita. Korin otsapinta-ala Se pinta-ala, joka näkyy katsottaessa ajoneuvoa suoraan edestäpäin. Ohmiset häviöt Kennokomponenttien resistiivisyydestä ja kontaktivastuksista johtuvat häviöt. Osaslaji Pelkistyminen Polttokenno Purkaussyvyys Pyörämoottori Kemialliseen reaktioon tai kuljetusprosessiin osallistuva aine. Reaktio, jossa osaslajin hapetusluku pienenee (osaslaji ottaa vastaan elektroneja). Sähkökemiallinen laite, joka muuntaa polttoaineen (vedyn) kemiallisen energian suoraan sähköksi. Ilmaisee prosentteina, kuinka suuri osa akun kapasiteetista puretaan. Ajoneuvon pyörän sisään rakennettu sähkömoottori, joka liikuttaa kyseistä pyörää. Regeneroiva jarruttaminen Ajoneuvon jarrutusenergian varastointia energialähteeseen. Stoikiometria Stoikiometrinen kerroin Toimintamatka Tyhjäpaino Reaktantin stoikiometria ilmaisee sähkökemialliseen kennoon syötettävän reaktantin virtaaman (mol/s) suhteen reaktion vaatimaan määrään. Stoikiometrian on oltava suurempi kuin 1 jotta reaktio voi tapahtua halutulla nopeudella. Jos reaktanttia syötetään kaksi kertaa enemmän kuin reaktiossa kuluu, stoikiometria on 2. Reaktiossa a 1 A + a 2 B = a 3 C + a 4 D kertoimet a i ovat stoikiometriset kertoimet. Ne ilmaisevat reaktion osaslajien keskinäisen suhteen. Reaktiossa kuluvien osaslajien kertoimet ovat negatiivisia ja syntyvien positiivisia, jos reaktioyhtälö kirjoitetaan muotoon a 1 A + a 2 B + a 3 C + a 4 D = 0. Ajomatka, jonka ajoneuvo kykenee kulkemaan yhdellä varauksella/tankkauksella. Ajoneuvon paino ilman kuljettajaa, matkustajia ja kuormaa. Ultrakondensaattori Tehokas, suuren kapasiteetin omaava kondensaattori. Vauhtipyörä Mekaaninen energiavarasto, joka varastoi pyöriessään liike-energiaa.

9 9 1.JOHDANTO Sähköautoja on valmistettu jo 1800-luvulta lähtien. Niiden energiavarastona toimi tuolloin yksinomaan akku. Tuolloisella akkutekniikalla sähköauton toimintasäde jäi tosin lyhyeksi ja huippunopeus alhaiseksi, mutta sähköautot menivät silti hyvin kaupaksi. Kuitenkin sähköauto jäi pian polttomoottoriauton varjoon ja sähköautojen tuotanto käytännössä loppui kokonaan 1930-luvulla eikä ole kunnolla toipunut tähän päivään mennessäkään. (Raivio 2008). Kaliforniassa Yhdysvalloissa tehtiin vuonna 1990 ns. ZEV- eli Zero Emission Vehicle -mandaatti, jonka tarkoituksena oli vähentää liikenteen päästöjä Kalifornian kaupunkialueilla. Zero Emission Vehicle nollapäästöajoneuvo ei tuota päästöjä tai saasteita ajokäytössä. Puhtaiksi ZEV-ajoneuvoiksi luokitellaan tällä hetkellä esimerkiksi akuilla ja polttokennoilla toimivat sähköautot. Mandaatin mukaan vuoteen 1998 mennessä 2%, vuoteen 2001 mennessä 5% ja vuoteen 2003 mennessä 10% Kaliforniaan myyntiin tuotetuista ajoneuvoista oli oltava ZEV-ajoneuvoja, jos autonvalmistaja halusi jatkossakin myydä autoja osavaltiossa. Tästä kiintiöstä lopulta kuitenkin luovuttiin auto- ja öljyteollisuuden käynnistettyä liittovaltion tukemina oikeusprosessin kiintiösäädöksen kaatamiseksi. Autonvalmistajat väittivät ettei sähköautojen tuottaminen ole taloudellisesti mahdollista, koska markkinoilla ei ole riittävästi kysyntää niille. Sähköautojen kannattajien piirissä autoteollisuuden väitteen uskotaan olleen valheellinen. Heidän mukaansa auto- ja öljyteollisuuden yhteisiin intresseihin ei sopinut vastata todelliseen kysyntään, vaikka autonvalmistajilla tuotantokapasiteettia siihen olisi ollutkin. (Kalhammer et al. 1996, Väyrysen 1999 mukaan; Paine 2006; Raivio 2008). ZEV-mandaatti oli kuitenkin sähköauton akkujen kehitystyön ja siihen käytettävien resurssien kannalta merkittävä edistysaskel. Osoituksena autonvalmistajien kiinnostuksesta mandaatin tavoitteiden toteuttamiseen oli yhteistyöelin United States Advanced Battery Consortiumin eli USABC:n perustaminen. USABC johtaa Yhdysvalloissa sähköautoakkujen kehitystyötä. USABC:n ovat perustaneet yhteistyössä General Motors, Ford ja Chrysler ja sen tehtävänä on identifioida ja kehittää lupaavimpia akkuvaihtoehtoja sähköautoja varten. (Väyrynen 1999, s. 12). Muita sähköautoakkujen kehitystä vauhdittavia tekijöitä ovat olleet mm. vuoden 1990 Kioton sopimus hiilidioksidipäästöjen vähentämisestä, EU:n ympäristöohjelmat ja päätös uusien henkilöautojen hiilidioksidipäästörajoista, huoli öljyn loppumisesta (Haakana 2007, s.3, s.10), öljyn hinnan nousu sekä pyrkimykset vähentää riippuvuutta öljystä, joka useimmissa maissa on enimmäkseen tuontitavaraa.

10 10 2.SÄHKÖAUTOT 2.1.Sähköauton rakenne Sähköautot käyttävät tarvitsemansa vetävän voiman tuottamiseen sähkömoottoria ja energialähteenään (energiavarastonaan) akkua, polttokennoa, ultrakondensaattoria, vauhtipyörää tai näiden yhdistelmää. Kuva 2.1 esittää sähköauton toiminnan periaatekaavion. Kuva 2.1. Sähköauton toiminnan periaatekaavio. (Ehsani et al. 2005, s. 100). Kaasu- ja jarrupolkimen käytön perusteella ns. ajoneuvo-ohjain tuottaa tarvittavat ohjaussignaalit tehoelektroniikkakonvertterille, joka säätelee tehon siirtoa sähkömoottorin ja energialähteen välillä. Tehoa saadaan siirtymään myös 'takaperin', kun sähköauton jarrutusenergiaa otetaan talteen ja varastoidaan energialähteeseen. Tätä kutsutaan regeneroivaksi jarruttamiseksi. Edellytyksenä on, että energialähde pystyy ottamaan energiaa vastaan. Suurin osa sähköautojen akuista, kuten myös ultrakondensaattoreista ja vauhtipyöristä, kykenee ottamaan vastaan tätä energiaa. (Ehsani et al. 2005, s. 101). Toinen lähestymistapa on ns. pyörämoottori. Tällöin kahden tai useamman pyörän sisässä on oma sähkömoottorinsa, joista saadaan verrattain paljon tehoa kiihdytyksiin. Akut ja koko auton elektroniikka sijoitetaan auton alustaan ja koska moottorit sijaitseva pyörissä, saadaan sisätilat rakennettua suuremmiksi. (Haakana 2007, s. 37). Ajoneuvoa, johon on polttomoottorin lisäksi asennettu sähkömoottori ja energialähde, kutsutaan hybridiautoksi. Hybridiratkaisuja on kolme erilaista: sarja-, rinnakkais- sekä niiden yhdistelmäratkaisu. Hybridin tarkoitus on optimoida polttomoottorin hyötysuhde. Toisin kuin sähköautot, hybridiautot ovat jo tehneet

11 11 kaupallisen läpimurtonsa ja niitä on yleisesti saatavilla monilta eri autonvalmistajilta. (Haakana 2007, s. 6-7). 2.2.Sähköauton tehon tarve Vetomoottorin kehittämää tehoa tarvitaan ajoneuvon liikettä vastustavan voiman voittamiseen. Seuraavat kaavat soveltuvat myös muille ajoneuvoille kuin sähköautoille. Ajoneuvon liikettä vastustaa yhtälön (2.1) mukainen voima F x. F x = C r m a g + ½ ρ C d A v 2 + m a g sin ф + C z m a a. (2.1) (Viitasalo 1967, Sivosen 1982 mukaan). Yhtälön symbolien selitykset käydään läpi seuraavissa alaotsikoissa. Auton liikettä vastustava voima koostuu yhtälössä (2.1) neljästä termistä: vierintä-, ilman-, mäki- ja kiihdytysvastuksen aiheuttamasta voimasta. Tästä tarvittava pyöriin vaikuttava käyttöteho P k voidaan muodostaa kertomalla tämä voima auton nopeudella v: P k = F x v, (2.2) jolloin saadaan: P k = P k1 + P k2 + P k3 + P k4, (2.3) missä: P k = pyörien käyttöteho P k1 = vierintävastusteho P k2 = ilmanvastusteho P k3 = mäkivastusteho P k4 = kiihdytysteho Tämä on siis teho, jolla auton nopeus saadaan pidettyä vakiona. (Sivonen 1982, s ) Vierintävastusteho Vierintävastuksen voittamiseen tarvittava teho P k1 saadaan yhtälöstä (2.4). P k1 = C r m a g v, (2.4) missä: C r renkaiden vierintävastuskerroin,

12 12 m a auton kokonaismassa, g maan vetovoiman aiheuttama kiihtyvyys. (Viitasalo 1967, Sivosen 1982 mukaan). Vierintävastuksen aiheuttama tehontarve on suoraan verrannollinen auton kokonaispainoon. Sähköautot ovat yleensä painavampia kuin polttomoottoriautot: esimerkiksi Chevrolet S-10 Exterior -polttomoottoriauton tyhjäpaino on 1396 kg ja saman automallin akkukäyttöisen version, Chevrolet S-10 Electricin, tyhjäpaino on 1950 kg. (EV World 2008). Jotta päästäisiin samoihin suoritusarvoihin polttomoottoriautojen kanssa, olisi sähköauton vetomoottori mitoitettava painon vuoksi suuremmaksi kuin kevyemmillä polttomoottoriautoilla. Tämä ja toimintamatkavaatimukset ovat ristiriitaisia, joten sähköautoissa on yleensä tyydytty polttomoottoriautoja heikompiin suoritusarvoihin. (Automies 1992, Pellisen 1993 mukaan). Vierintävastuskerroin C r sisältää kaikki tien pinnasta, ajonopeudesta ja ajoneuvosta riippuvat muuttujat. Vierintävastuskerroin määritetään tavallisesti kokeellisesti. Henkilöautoille vierintävastuskerroin on luokkaa 0,01-0,10. (Viitasalo 1967, Sivosen 1982 mukaan) Ilmanvastusteho Ilmanvastusteho P k2 voidaan laskea yhtälöstä (2.5). P k2 = ½ ρ C d A v 3, (2.5) missä: ρ ilman tiheys C d korin ilmanvastuskerroin A korin otsapinta-ala v auton nopeus. (Viitasalo 1967, Sivosen 1982 mukaan). Ilmanvastuksen merkitys kasvaa erittäin voimakkaasti nopeuden kasvaessa, nopeuden kuutioon verrannollisena. Täten sähköauton suunnittelussa olisi tärkeää pyrkiä mahdollisimman pieneen ilmanvastukseen, jotta rajallisella energiavarastolla voitaisiin päästä mahdollisimman pitkiin toimintamatkoihin. (Pellinen 1993, s. 6) Mäkivastusteho Mäen nousun aiheuttama lisätermi pyörien käyttötehoon saadaan yhtälöstä (2.6). P k3 = m a v sin Φ T, (2.6)

13 13 missä: m a auton kokonaismassa, g maan vetovoiman aiheuttama kiihtyvyys, Φ T tien nousukulma. (Viitasalo 1967, Sivosen 1982 mukaan). Koska mäen jyrkkyys ilmoitetaan usein nousuprosenttina, voidaan mäkivastusteho loivan mäen ollessa kysymyksessä laskea myös yhtälöstä (2.7). P k3 = 0,01 m a g a n, (2.7) missä a n on tien nousuprosentti. (Juurikkala 1981, Pellisen 1993 mukaan). Sähköautot ovat melko huonoja nousemaan mäkiä. Suurin syy tähän on akkujen suuri paino. Mäennousukyky saadaan kuitenkin siedettäväksi esimerkiksi käyttämällä vaihteistoa. Eräät valmistajat ilmoittavat sähköautoilleen tien suurimman nousuprosentin. Tällaisen mäen ne vielä voivat nousta täydellä kuormalla. (Pellinen 1993, s. 7) Kiihdytysvastusteho Viimeinen termi P k4 ajovastustehon lausekkeessa viittaa ajoneuvon kiihdyttämisessä tarvittavaan tehoon. Tämä teho jakaantuu kahteen osaan: ajoneuvon massojen suoraviivaisen nopeuden ja ajoneuvon pyörivien osien pyörimisnopeuden lisäämiseen tarvittavaan tehoon. Suoraviivainen nopeuden lisääminen vaatii noin 90% kiihdyttämiseen tarvittavasta tehosta. Tämän vuoksi on otettu käyttöön vakio C z, jolle käytetään arvoa 1,1. Tämä vakio ottaa huomioon pyörivien osien kiihdyttämiseen tarvittavan tehon poisjättämisen yhtälöstä (2.8). (Viitasalo 1967 ja Kordesch 1977, Sivosen 1982 mukaan). P k4 = C z m a a v. (2.8) Otettaessa kaikki edellämainitut termit huomioon, saadaan selville tehon maksimitarve, joka vaaditaan vain hetkellisesti, sillä käytännössä eri ajovastukset esiintyvät vain harvoin samanaikaisesti. Tällainen tilanne syntyy kiihdytettäessä nousussa, jolloin tarvitaan vetomoottorin huipputehoa. Tasaisella tiellä ajettaessa nopeuden ollessa vakio tarvitaan tehoa vain vierintä- ja ilmanvastuksen voittamiseen. Tällöin siis tien nousukulma Φ T ja kiihtyvyys a ovat nolla. (Sivonen 1982, s. 26).

14 14 3.AKUN TEOREETTINEN SUORITUSKYKY 3.1.Akun toiminta Sähkökemiallista systeemiä, jossa kemiallista energiaa muuttuu ilman välivaihetta sähköenergiaksi siten, että energiaa voidaan käyttää työn suorittamiseen ulkoisessa virtapiirissä, kutsutaan sähkökemialliseksi tai usein myös galvaaniseksi kennoksi. Kemiallinen energia muuttuu sähköksi kennoreaktiossa, joka koostuu kahdesta erillisestä osareaktiosta, elektrodeilla tapahtuvista puolikennoreaktioista. (Sundholm 1987, Väyrysen 1999 mukaan). Faasien rajapinnalle on ominaista, että faasirajan yli voivat siirtyä ainoastaan tietyt osaslajit, yleensä ionit tai elektronit. Kun systeemi on tasapainossa, kaikilla faasien välisillä rajapinnoilla vallitsee sähkökemiallinen tasapaino. Koska sähkökemiallisissa kennoissa virrankuljettajina toimivat elektrolyytissä sekä positiivisesti että negatiivisesti varatut ionit ja ulkoisessa virtapiirissä elektronit, on elektrodin ja elektrolyytin rajapinnalla tapahduttava elektroninsiirtoreaktioita eli hapettumis- ja pelkistymisreaktioita. Elektrodia, jolla hapettuminen tapahtuu, kutsutaan anodiksi ja elektrodia, jolla pelkistyminen tapahtuu, katodiksi. Nämä puolikennoreaktiot muodostavat yhdessä kennoreaktion, jossa vapautuvaa energiaa käytetään hyväksi akkua purettaessa. (Väyrynen 1999, s. 16). Gibbsin vapaaenergia, joka tunnetaan myös nimellä Gibbsin energia tai Gibbsin funktio, kuvaa suurinta mahdollista mekaanisen työn määrää, jonka termodynaaminen prosessi voi tehdä vakiopaineessa ja -lämpötilassa. Ideaalitapauksessa, kun kenno toimii reversiibelisti (eli suuntaan, joka purkaa kennoa), koko kennoreaktiota vastaava Gibbsin energian muutos ΔG muuttuu sähköenergiaksi, ja kennon hyötysuhde on 100%. Gibbsin energian muutosta ja reaktioentalpiaa ΔH sitoo relaatio ΔG = ΔH T ΔS, (3.1) jossa termi T ΔS ilmaisee reaktiossa siirtyvän lämpöenergian. (Lindholm 1977, Väyrysen 1999 mukaan). Entropiamuutoksen ΔS etumerkki kertoo, mihin suuntaan lämpö siirtyy: jos ΔS > 0, reaktio on eksoterminen, jos ΔS < 0, reaktio on endoterminen. Endotermisessä reaktiossa olisi ΔG/ΔH > 1, ja akku ottaisi purkauksen aikana lämpöä ympäristöstä. Todellisilla kennoilla ΔS > 0, ja reaktiossa hukkaan menevä osa reaktioentalpiasta poistuu systeemistä lämpönä. (Väyrynen 1999, s. 16). Sähkökemiallisen kennon teoreettisen suorituskyvyn tarkastelussa lähtökohtana käytetään termodynaamista tasapainotilaa, jota todellisen kennon toiminta voi lähestyä, kun sen läpi kulkeva virta lähestyy nollaa. Todellisuudessa kennossa tapahtuu aina

15 15 myös virrantiheydestä aiheutuvia irreversiibelejä prosesseja. Lisäksi elektrolyytin rajallinen johtokyky aiheuttaa ohmisia häviöitä, ja elektrodireaktioissa esiintyy hitautta, joka ilmenee ylijännitteenä ja energiahäviöinä. (Sundholm 1987, Väyrysen 1999 mukaan). 3.2.Teoreettinen jännite tasapainotilassa Elektronien liike sähkönjohtimessa johtuu elektrodien välisestä potentiaalierosta. Jotta galvaanisen kennon muodostamassa virtapiirissä elektronit voisivat kulkea anodilta katodille, katodin potentiaalin on oltava suurempi (positiivisempi) kuin anodin. Kennon reaktion aikana tekemä työ on -W = Q(Φ katodi Φ anodi ) = n S F U, (3.2) missä: Q = n S F = reaktiossa siirtynyt sähkömäärä, n S = stoikiometrisessä reaktiossa siirtyneiden elektronien ainemäärä, F = Faradayn vakio = As/mol = 26,80 Ah/mol, Φ V = elektrodin hapettumis-pelkistymispotentiaali, U = (Φ katodi Φ anodi ) = kennon sähkömotorinen voima (jännite). (Laitinen & Toivonen 1997, Väyrysen 1999 mukaan). Tarkastellaan kennoa, jonka kennoreaktion reaktioyhtälö on aa + bb cc + dd, (3.3) missä pienillä kirjaimilla merkityt kertoimet ovat stoikiometriset kertoimet. Ne ilmaisevat reaktion osaslajien keskinäisen suhteen. Reaktiossa kuluvien osaslajien kertoimet ovat negatiivisia ja syntyvien positiivisia, jos reaktioyhtälö kirjoitetaan muotoon a 1 A + a 2 B + a 3 C + a 4 D = 0. Jos kennoreaktion muodostavat elektrodireaktiot tapahtuvat reversiibelisti (eli suuntaan, joka purkaa kennoa) vakiolämpötilassa ja -paineessa, kennon tekemä työ on systeemin Gibbsin energian muutoksen suuruinen, ΔG = -n S F U. (3.4) (Väyrynen 1999, s. 17). Gibbsin energian muutos voidaan lausua myös reaktioon osallistuvien osaslajien kemiallisten potentiaalien avulla: ΔG = cμ C + dμ D aμ A bμ B, (3.5)

16 16 missä μ X on osaslajin X kemiallinen potentiaali. (Lampinen 1996, Väyrysen 1999 mukaan). Jos kaikki lähtöaineet ja reaktiotuotteet ovat standarditilassa, voidaan yhtälön (3.5) perusteella määritellä kennoreaktion normaalipotentiaali: U = ΔG T =Φ nf katodi Φ anodi, (3.6) missä ΔG (T) on Gibbsin energian muutos sekä Φ katodi ja Φ anodi elektrodireaktioiden normaalipotentiaalit standarditilassa. Standarditila on puhdas aine tai liuos, jossa liuenneen aineen aktiivisuus a X = 1, molaarisuus m = 1mol/kg ja paine p = 1,013 bar. (Väyrynen 1999, s. 17). Osaslajin X kemiallinen potentiaali μ X riippuu vakiolämpötilassa ja -paineessa osaslajin aktiivisuudesta a X yhtälön μ X = μ X RT ln a X (3.7) mukaan, jossa μ X on osaslajin X kemiallinen potentiaali standarditilassa, R yleinen kaasuvakio ja T absoluuttinen lämpötila. (Väyrynen 1999, s. 17). Yhtälöiden (3.5), (3.6) ja (3.7) avulla saadaan sähkökemiallisen kennon tasapainojännitettä kemiallisen koostumuksen, lämpötilan ja paineen funktiona kuvaava yhtälö, ns. Nernstin yhtälö U tp =U RT nf ln a a b A a B RT =U a c d C a D nf ln K, (3.8) jossa K on reaktion tasapainovakio. (Väyrynen 1999, s. 17). Elektrodipotentiaalien Φ V absoluuttisia arvoja ei voi mitata, koska potentiaaliero on mahdollista havaita vain kahden elektrodin välillä. Tämän vuoksi vertailukohdaksi on valittu vetyelektrodi, jonka potentiaali on perustilassa 0,0V kaikissa lämpötiloissa. Mittaamalla elektrodien potentiaali vetyelektrodiin verrattuna saadaan suhteellinen asteikko, jolla voidaan ilmaista eri aineiden hapettumis-pelkistymiskykyä ja määrittää eri kennoreaktioiden termodynaaminen tasapainojännite standarditilassa. (Sundholm 1987, Väyrysen 1999 mukaan). Käytännön sovelluksissa kennoja kytketään usein sarjaan ja rinnan sopivan modulikoon ja -jännitteen saavuttamiseksi. Käytännössä akun avoimen piirin jännite vastaa melko tarkasti normaalipotentiaalia, mutta akun kuormitettu napajännite on virran aiheuttamien häviöiden vuoksi aina jonkin verran teoreettista jännitettä pienempi. (Väyrynen 1999, s. 18).

17 Teoreettinen kapasiteetti ja ominaisenergia Sähkökemiallisen kennon kapasiteetti C (Ah) on kennoa purettaessa tapahtuvaan kennoreaktioon osallistuvan sähkövarauksen määrä. Teoriassa kapasiteetti riippuu ainoastaan aktiivisista elektrodimateriaaleista. Painoyksikköä kohden laskettu kapasiteetti, materiaalin ominaiskapasiteetti C S (Ah/kg), on yhtälön (3.2) mukaan C S = F M n R, (3.9) missä M on kyseisen aktiivisen materiaalin moolimassa. (Linden 1995, Väyrysen 1999 mukaan). Yhtälöstä (3.9) havaitaan, että aktiivisen aineen ominaiskapasiteetti riipuu sekä tiheydestä (moolimassasta), että reaktioon osallistuvien elektronien määrästä n R. Yhdestä moolista aktiivista materiaalia saadaan yhtälön (3.9) mukaan 26,8 Ah reaktioon osallistuvaa elektronia kohden. (Väyrynen 1999, s. 18). Koska sähkökemiallinen kenno koostuu aina vähintään kahdesta aktiivisesta materiaalista, kennon kapasiteetti saadaan laskemalla aktiivisten materiaalien ominaiskapasiteetit yhteen. (Linden 1995, Väyrysen 1999 mukaan). Akun käytön kannalta on oleellista määrittää myös kennon energiasisältö ja painoyksikköä kohden laskettu ominaisenergia E S (Wh/kg). Sähkökemiallisen kennon teoreettinen ominaisenergia voidaan laskea yhtälöllä E S = C S U tp, (3.10) jossa U tp on yhtälöllä (3.8) laskettu teoreettinen kennojännite. Esimerkiksi Zn/Br 2 - kennon (sinkki/dibromidi) normaalipotentiaalin taulukkoarvo on 1,85 V ja laskennallinen ominaiskapasiteetti on 238 Ah/kg, joka antaa ominaisenergiaksi standarditilassa E S (Zn/Br 2 ) = 238Ah/kg 1,85V = 440Wh/kg. (3.11) (Väyrynen 1999, s. 18). Todellisesta akusta saadaan käytännön kuormitustilansteessa vain murto-osa edellä määritetystä teoreettisesta energiasisällöstä. Syynä tähän ovat akun ei-reaktiivinen massa sekä sisäisistä häviöistä johtuva purkukäyrän epäideaalisuus.

18 18 4.AKUN OMINAISUUDET Ajoneuvokäytössä akuilta edellytetään: (1) korkeaa ominaisenergiaa ja energiatiheyttä tuottaakseen riittävän toiminta- eli ajomatkan; (2) korkeaa ominaistehoa ja tehotiheyttä tuottaakseen kiihtyvyyttä; (3) pitkää elinikää vähäisellä huoltotarpeella; sekä (4) halpaa hintaa. Lisäksi on olemassa vielä monia muita ominaisuuksia, jotka ovat tärkeitä akun soveltuvuudelle ajoneuvokäyttöön. Esimerkkinä akkusähköautolla saavutettavasta suorituskyvystä olkoon General Motorsin mainetta saavuttanut sähköauto EV1 (II GEN) vuodelta Sen rajoitettu huippunopeus oli 129 km/h, se kiihtyi nollasta sataan kilometriin tunnissa yhdeksässä sekunnissa ja sen toimintamatka yhdellä varauksella (latauksella) oli lyijyakullisessa versiossa km ja nikkeli-metallihydridi -akullisessa versiossa km. (Haakana 2007, s. 47). Vuonna 2006 esitelty, Lotuksen tehtaassa valmistettava Teslaurheiluauto kykenee vieläkin kovempiin suoritusarvoihin. Sen huippunopeus on 240 km/h, se kiihtyy nollasta sataan neljässä sekunnissa ja sen toimintamatka yhdellä varauksella on km. (Haakana 2007, s. 50). Taulukko 4.1 esittää USABC:n asettamat tavoitteet sähköauton akkujen kehittämisessä. Tässä luvussa käsitellään edellä sekä tässä taulukossa mainittuja akkujen ominaisuuksia. 4.1.Ominaisenergia, energiatiheys, paino Akkujen massayksikköä kohden sisältämiä energiamääriä vertailtaessa puhutaan usein energiatiheydestä, vaikka oikeampi termi olisi ominaisenergia (Wh/kg). Energiatiheys sen sijaan kuvaa paremmin volumetrista suuretta (Wh/dm 3 ). (Väyrynen 1999, s. 7). Akun paino on ominaisenergian suuruuden kannalta kriittinen tekijä. Käytännön ajoneuvosovelluksissa akkuja on kg painoisia. Kehittämällä ominaisenergialtaan suurempi akku voidaan lisätä sähköauton toimintamatkaa tai vaihtoehtoisesti auton kantavuutta. Modernin 1000 kg painavan sähköauton akkujen osuus on noin 30 % omapainosta, ja tällaisen auton energiankulutus akuista on vakionopeudella ajettaessa noin 150 Wh/km. (Väyrynen 1999, s. 7). Edellä mainitun EV1-sähköauton lyijyakullisen version akun paino on 595 kg ja ominaisenergia n. 31 Wh/kg. (Haakana 2007 s. 47). Nikkeli-metallihydridi -akullisen version akun paino 520 kg ja ominaisenergia n. 51 Wh/kg. (Haakana 2007, s. 47). Koko auton tyhjäpaino on noin 1300 kg. (EV-guide 2008). Verrattuna taulukon 4.1 USABC:n tavoitteisiin EV1:n akun ominaisenergia on siis varsin vaatimaton.

19 19 Pitkän ajanjakson vähimmäistavoite kaupallisiin tuotteisiin Tehotiheys [W/dm 3 ] Ominaisteho Purku, 80 % DOD/30 sek. (80 % purkaussyvyys) [Wh/kg] Energiatiheys C/3 purkunopeus (1/3 kapasiteetista tunnissa) [Wh/dm 3 ] Ominaisenergia C/3 purkunopeus [Wh/kg] Ominaisteho/ominaisenergia -suhde 2:1 2:1 Kokonaisenergiamäärä [kwh] Elinikä [vuotta] Elinikä 80 % DOD [sykliä] Myyntihinta kwh [$/kwh] < Operointilämpötila [ C] (enintään 20 % suorituskyvyn menetys) Normaali latausaika [h] Pikalatauskyky % kapasiteetista < W/kg Pitkän ajanjakson tavoite % kapasiteetista 15 minuutissa Taulukko 4.1. USABC:n tavoitteita sähköautoakkujen suoritusarvoille. (USABC 2008). 4.2.Kapasiteetti, kokonaisenergiamäärä Kapasiteetti määritellään akusta purettaessa saatavana virtamääränä. Yksikkönä käytetään yleensä ampeerituntia Ah. Sähköautoissa käytettävien akkujen nimelliskapasiteettina ilmoitetaan usein viiden tunnin purkausvirralla saavutettu kapasiteetti 30 C:een lämpötilassa, jota merkitään C 5 tai C/5. Kapasiteetti riippuu purkaustehosta ja -virrasta. Pienentämällä purkausvirtaa saadaan akusta suurempi kapasiteetti käyttöön. Sähköautoissa tämä merkitsee pidempää toimintamatkaa pienillä nopeuksilla. (Väyrynen 1999). Kokonaisenergiamäärä on akusta purettaessa saatava energiamäärä, joka ilmoitetaan yleensä kilowattitunteina kwh. Se voidaan tarvittaessa karkeasti laskea kertomalla akun ominaisenergia akun painolla. EV1-sähköauton lyijyakullisen version akun kokonaisenergiamäärä on 18,7 kwh ja nikkeli-metallihydridi -akullisen version 26,4 kwh. (Haakana 2007, s. 47).

20 Akkukustannukset USABC:n ominaisenergian pitkän ajan minimitavoitteen 150 Wh/kg perusteella teoreettiseksi toimintamatkaksi saadaan 300 kg painoista akkua käyttävälle 1000 kg painoiselle sähköautolle 300 km. Kertomalla tämä USABC:n pitkän ajan minimitavoitteen mukaisella käyttöiällä 1000 sykliä sekä 80% purkaussyvyydellä (80% DOD), saadaan ajomatkaksi yhdellä akustolla km. Purkaussyvyys ilmaisee, kuinka suuri prosenttiosuus akun kapasiteetista puretaan. Käyttämällä USABC:n pitkän ajan minimihintatavoitetta 150 $/kwh, saadaan 300 kg akuston hinnaksi 6750 $ ja akkukustannusten osuudeksi käyttökustannuksista 0,03 $/km. Tämä laskelma sisältää useita ideaalisia oletuksia, mutta antaa kuitenkin kuvan kustannustasosta, jolle sähköautoilla on mahdollista päästä, jos asetetut tavoitteet toteutuvat. Valtaosa akkujen käyttökustannuksista aiheutuu akkukustannuksista, joihin vaikuttaa akkujen hankintahinnan lisäksi oleellisesti käyttöikä. Käyttökustannuksiin sisältyvät tavanomaisesti huoltokustannusten ohella myös energiakustannukset, joiden osuus on kuitenkin melko vähäinen. Energiakustannuksiin vaikuttavia tekijöitä ovat lisäksi akun hyötysuhde ja itsepurkautuminen. Avoimilla akuilla pienen lisän tekevät vesityskustannukset, eli kustannukset jotka aiheutuvat siitä, että akkunesteeseen on aika ajoin lisättävä haihtuneen veden tilalle uutta, epäpuhtauksista suodatettua vettä. (Väyrynen 1999, s. 9-10). 4.4.Elinikä/käyttöikä Akkujen käyttöikä ilmoitetaan jaksoina eli sykleinä, jotka koostuvat yhdestä purkaus- ja varauskerrasta. Akkupaketin käyttöikä riippuu useista eri tekijöistä, mm. akkujen tasalaatuisuudesta, ja on poikkeuksetta pienempi kuin laboratorio-olosuhteissa mitattu yksittäisen akun käyttöikä. Väyrysen mukaan (1999, s. 10) tämän vuoksi on mielekästä arvioida käyttökustannuksia valmistajan akkupaketille antaman takuun perusteella. Akkujen käyttöikää käsitellään lisää luvussa Lämpötilan vaikutus Toimintalämpötilalla on vaikutusta akun toimintaan. Joillakin akkutekniikoilla tämä vaikutus on merkittävämpää kuin toisilla. Esimerkiksi lyijyakulle optimi toimintalämpötila on Pellisen (1993, s. 13) mukaan C. Toimintalämpötila vaikuttaa esimerkiksi käytettävissä olevaan kapasiteettiin. Kuvasta 4.1 nähdään lämpötilan vaikutus lyijyakun kapasiteettiin. Normaaliksi toimintalämpötilaksi on oletettu 20 C, mikä selittää yli 100 % arvot mentäessä tästä korkeampiin lämpötiloihin. Lämpötilalla on samankaltainen vaikutus myös lyijyakun ominaistehoon ja ominaisenergiaan. Suhteellisen ominaisenergian kuvaaja lämpötilan funktiona on jokseenkin saman muotoinen kuin kuvassa 4.1.

21 Suhteellinen 6h:n kapasiteetti / % Lämpötila / C Kuva 4.1. Lyijyakun täysin ladatun kennon kuuden tunnin kapasiteetin lämpötilariippuvuus. (Kordesch 1977, Sivosen 1982 mukaan). Kapasiteettihäviö / % Lämpötila / C Kuva 4.2. Uuden, täysin ladatun lyijyakun akkukennon itsepurkautumisen aiheuttama kapasiteettihäviö nimelliskapasiteetista kuukauden aikana lämpötilan funktiona. (Kordesch 1977, Sivosen 1982 mukaan). Myös akun itsepurkautuminen riippuu lämpötilasta. Lyijyakulle itsepurkautuminen on huoneenlämpötilassa luokkaa 5 15 % nimelliskapasiteetista kuukaudessa. Kuvassa 4.2 on esitetty itsepurkautumisen lämpötilariippuvuus lyijyakun akkukennossa. 4.6.Hyötysuhde Energia- ja tehohäviöt akun purkamisen tai varaamisen aikana ilmenevät jännitehäviöiden muodossa. Akun hyötysuhde purkamisen ja varaamisen aikana voidaan määritellä kennon napajännitteen ja termodynaamisen jännitteen avulla seuraavasti:

22 22 akkua purettaessa (purkaushyötysuhde) η= V V 0, (4.2) akkua varattaessa (varaushyötysuhde) η= V 0 V, (4.3) missä: η = hyötysuhde, V = kennon napajännite, V 0 = kennon termodynaaminen jännite. (Ehsani et al. 2005, s. 309). Napajännite on akkua purettaessa pienempi ja akkua varattaessa suurempi kuin kemiallisen reaktion tuottama normaalipotentiaali. Näin ollen hyötysuhde on aina < 1. Akun energiahyötysuhde määritellään seuraavasti: η= E p E v, (4.4) missä: E p = akusta purettaessa saatu energia, E v = akkuun varattaessa viety energia. (Haakana 2007, s. 12). Taulukossa 5.1 on listattu eri akkutyyppien tyypillisiä energiahyötysuhteita. Hyötysuhteiden huomataan olevan keskimäärin luokkaa %. Koko sähköauto pystyy hyödyntämään verkosta ottamansa sähkön noin % hyötysuhteella. Tähän vaikuttavat varauksen ja purkauksen kokonaishyötysuhteen lisäksi moottorin, käyttöjärjestelmän ja vetopyörästön kokonaishyötysuhde ( %). (Pellinen 1993, s. 37; Haakana 2007, s. 54). 4.7.Ominaisteho, tehotiheys, teho Akun massayksikköä kohden tuottamaa tehoa kutsutaan ominaistehoksi (W/kg), kun taas tehotiheys kuvaa volumetrista suuretta (W/dm 3 ). Akun napajännite laskee akun sisäisten häviöiden vuoksi kuormitusvirran kasvaessa. Sisäiset häviöt johtuvat ohmisesta vastuksesta sekä elektrodien polarisaatiosta. Napajännitteen lasku johtaa akusta saatavan tehon laskemiseen. (Väyrynen 1999).

23 23 Sähköautossa käytetään yleensä virtarajoitteista moottoria sekä alijänniterajaa, jonka alle akuston kokonaisjännitteen ei sallita laskevan. Käytännössä jännitteen pudotessa alijänniterajalle kuormitusvirtaa rajoitetaan, mikä johtaa tehon laskemiseen. Purkauksen alussa akkuteho riippuu suoraan verrannollisesti kuormitetusta napajännitteestä. (Väyrynen 1999, s. 9). Sähköauton kiihtyvyys ja huippunopeus laskevat akun varaustilan mukana. USABC:n tavoitteissa ominaisteho on määritetty 80 prosentin purkausyvyydellä (80 % DOD). USABC:n testistandardissa teho määritellään maksimitehona, joka akusta saadaan 30 sekunnin ajan ilman, että jännite laskee 80 prosentin purkaussyvyydellä alle 2/3:aan mitatusta lepojännitteestä. (USABC 1996, Väyrysen 1999 mukaan). USABC:n ominaistehon pitkän tähtäimen minimitavoite on 150 W/kg, jolla saataisiin 300 kg akkupaketista tehoa 45 kw. Tämä luku on täysin teoreettinen, koska, kuten edellä mainittiin, sähköautossa virta ja jännite ovat rajoitettuja. Sähköajoneuvojen maksimitehoja vertailtaessa on muistettava, että auton maksimitehoa lisättäessä toimintamatka väistämättä pienenee, koska suuritehoinen moottori mahdollistaa energiakulutuksen kannalta epätaloudelliset kiihdytykset. Kasvattamalla auton moottoritehoa kiihtyvyyden eduksi menetetään siten osa ominaisenergiassa saavutetusta kehityksestä. (Väyrynen 1999, s. 9). 4.8.Pikavarauskyky Polttomoottorikäyttöiseen ajoneuvoon verrattuna sähköauton suurimpia heikkouksia on akkujen varauksen hitaus. Koska sähköauton toimintamatkan lisääminen ei ole käytännössä mahdollista käytössä olevien akkujen alhaisen ominaisenergian vuoksi akkukapasiteettia lisäämällä, on akkujen ns. pikavarauskyky tärkeässä asemassa. Akkujen pikavarauskyvyn mittareita ovat aika, jossa tietty osa akun kapasiteetista voidaan varata, sekä energiahyötysuhde. (Väyrynen 1999, s. 8). Sähköauton akuston varaaminen polttomoottorikäyttöisen auton tankkaustehoa vastaavalla teholla ei ole mahdollista eikä edes tarpeellista. Useimmissa käyttösovelluksissa esim. Electrosource Inc.:n valmistaman Horizon-akun varausaika riittäisi hyvin (50% kapasiteetista 8 minuutissa ja 100% alle 30 minuutissa). Nämä arvot edellyttävät noin 320 A varausvirtaa. (Moore 1994, Väyrysen 1999 mukaan; Ehsani et al. 2005, s. 310). Ongelmana on tällä hetkellä kuitenkin varausasemien ja tehokkaiden varaajien puute; useimpien sähköautojen varaajat onkin tämän vuoksi mitoitettu Suomessa autojen lämmityspistorasioissa käytettäville 16 ampeerin sulakkeille. Pikavarausmahdollisuus on kuitenkin edellytys sähköautojen laajamittaiselle yleistymiselle. (Väyrynen 1999, s. 9).

24 24 5.AKKUTYYPIT Tällä hetkellä ajoneuvokäyttöön soveltuvimpia akkutyyppejä ovat lyijyakut, nikkelipohjaiset akut sekä litiumpohjaiset akut. Lyijyakut ovat tänä päivänä ja luultavasti myös lähitulevaisuudessa merkittävin ja yleisin akkutyyppi ajoneuvokäytössä johtuen sen monista eduista ja tuoreista kehitysaskelista. Kuitenkin pidemmällä aikavälillä nikkeli- ja litiumpohjaiset akut lienevät vallitseva sähkö- ja hybridiautojen akkutekniikka. (Ehsani et al. 2005, s. 309). 5.1.Lyijyakut Lyijyakku on ollut menestyksekäs kaupallinen tuote jo yli vuosisadan ajan ja sitä käytetään yhä laajalti energiavarastona ajoneuvokäytössä ja muissa sovelluksissa. Suurin osa tämän päivän sähköautoista käyttää lyijyakkua. Sen etuina ovat alhaiset kustannukset, jalostunut tekniikka, suhteellisen korkea tehokapasiteetti ja pitkä elinikä. Valmistusmateriaalit lyijy, lyijyoksidi ja rikkihappo ovat verrattain halpoja. (Ehsani et al. 2005, s. 310). Lyijyakuissa on myös useita huonoja puolia. Niiden ominaisenergia on alhainen ja lämpötilaominaisuudet heikot. Alle 10 C:ssä, sen ominaisteho ja ominaisenergia heikkenevät suuresti, kuten luvussa 4.5 todettiin. Tämä seikka rajoittaa merkittävästi lyijyakkujen soveltuvuutta ajoneuvokäyttöön kylmissä olosuhteissa. (Crompton 1996, Ehsani et al mukaan). Entistä edistyksellisempiä lyijyakkuja kehitetään jatkuvasti sähkö- ja hybiridiautoihin korjaamaan edellä mainittuja puutteita. Aiemmin mainittu Horizonakku on esimerkki uuden sukupolven lyijyakusta. 5.2.Nikkelipohjaiset akut Nikkeli on kevyempi metalli kuin lyijy ja sillä on akkusovellustarkoituksiin erittäin hyvät sähkökemialliset ominaisuudet. On olemassa neljä eri nikkelipohjaista akkutekniikkaa: nikkeli-kadmium, nikkeli-rauta, nikkeli-sinkki ja nikkelimetallihydridi. (Ehsani et al. 2005, s. 311) Nikkeli-kadmium- ja nikkeli-rauta -akut (Ni-Cd ja Ni-Fe) Nämä akkutyypit ovat tuotantokäytössä joillakin sähköautonvalmistajilla. Ne ovat kalliimpia kuin lyijyakut, sillä nikkeli on kallista. Nikkelipohjaisten akkujen etuna

25 25 lyijyakkuun verrattuna on korkeampi ominaisenergia ja elinikä. (Emadi 2005, s. 65; Ehsani et al. 2005, s. 311). Nikkeli-kadmium -akkujen kehitys on kulkenut pitkälti rinnan nikkeli-rauta -akkujen kanssa ja niiden suorituskyky onkin melko yhtenevä. Nikkeli-kadmium -akkuja voidaan ladata hyvin nopeasti, mutta niillä on taipumus ylikuumentua. (Ehsani et al. 2005, s. 311). Haittapuolena on, että kadmium on hyvin myrkyllistä, joten kierrätys on hoidettava asianmukaisesti ja huolellisesti. Toinen ongelma on nikkeli-kadmium -akkujen korkea hankintahinta. Ni-Cd -akkuja on käytetty viime vuosina varsin monien sähköautomallien energialähteenä. (Emadi 2005, s. 65; Ehsani et al. 2005, s. 311) Nikkeli-metallihydridi -akut (Ni-MH) Nikkeli-metallihydridi -akut ovat olleet markkinoilla vuodesta 1992, joten kyseessä on varsin tuore tekniikka. Ominaisuudet ovat samankaltaiset nikkeli-kadmium -akkujen kanssa. Periaatteellinen ero näiden välillä on se, että nikkeli-metallihydridi -akuissa kadmiumin sijaan negatiivisena elektrodina käytetään metallihydridiin absorboitunutta vetyä. (Ehsani et al. 2005, s. 312). Ni-MH -akut ovat syrjäyttämässä Ni-Cd -akkuja. Tähän on kaksi merkittävää syytä: Ni-MH -akuissa ei ole myrkyllisiä aineita ja toisekseen niiden ominaisenergia on parempi verrattuna Ni-Cd -akkuihin. Ni-MH -akkujen kehitys on vielä kesken, mutta sen etuina on jo nykytekniikalla nikkeliakuista korkein ominaisenergia ja korkein ominaisteho, ympäristöystävällisyys sekä nopea latauskyky. Ongelmina Ni-MH -akuilla on korkea hankintahinta sekä muisti-ilmiö ja eksotermisyys ladattaessa. Muisti-ilmiö tarkoittaa akun kapasiteetin taipumusta heikentyä, jos akku puretaan tai varataan usein vain osittain eikä loppuun asti. (Ehsani et al. 2005, s. 312). Ni-MH -akuista odotetaan tärkeää energiavarastoratkaisua lähitulevaisuuden sähköja hybridiautoihin. (Ehsani et al. 2005, s. 313). 5.3.Litiumpohjaiset akut Litium on kevyin metalli ja sillä on sähkökemiallisesta näkökulmasta erittäin mielenkiintoisia ominaisuuksia. Litiumpohjaisissa akuissa on korkea termodynaaminen tasapainojännite, mikä johtaa hyvin korkeaan ominaisenergiaan ja ominaistehoon. On olemassa kaksi merkittävää litiumpohjaista akkutekniikkaa: litium-polymeeri ja litiumioni. (Ehsani et al. 2005, s. 313) Litium-polymeeri -akut (Li-P) Litium-polymeeri -akkujen negatiivisena elektrodina on litium-metalli ja positiivisena siirtymämetalli-interkalaatio -oksidi (transition metal intercalation oxide). Elektrolyyttinä on ohutta, kiinteää polymeeriä. Litium-polymeeri -akkujen etuja on alhainen itsepurkautumisnopeus (n. 0,5 % kuukaudessa), mahdollisuus valmistaa

26 26 lukuisiin eri muotoihin ja kokoihin sekä turvallinen rakenne. Haittapuolena on suhteellisen heikko suorituskyky matalassa lämpötilassa johtuen ionien johtavuuden lämpötilariippuvuudesta. (Chan & Chau 2001, Ehsani et al mukaan) Litium-ioni -akut (Li-Ion) Litium-ioni -akut julkistettiin vuonna Li-Ion -akkujen tekniikka on sen jälkeen kokenut valtaisan kehityksen ja sitä pidetään nyt kaikkein lupaavimpana akkutekniikkana. Litium-ioni -sähköautoakut ovat yhä kehitysvaiheessa, mutta ne ovat saaneet hyväksynnän sähkö- ja hybridiauto-sovelluksiin. (Ehsani et al. 2005, s. 314). Li-ioni -akussa käytetään negatiivisena elektrodina litium-hiili -interkalaatiomateriaalia (lithiated carbon intercalation material) (Li x C) metallisen litiumin sijaan, positiivisena elektrodina litium-siirtymämetalli -interkalaatio-oksidia (lithiated transition metal intercalation oxide) (Li 1-x M y O z ) sekä elektrolyyttinä nestemäistä orgaanista liuosta tai kiinteää polymeeriä. (Ehsani et al. 2005, s. 314). 5.4.Natrium-pohjaiset akut Natrium-rikki -akut (NaS) Natrium-rikki -akut käyttävät nestemäistä rikkiä positiivisina elektrodeina ja pysyäkseen nestemäisenä, rikki ja sitä myötä akku tulee pitää C lämpötilassa. Akussa on sisäänrakennetut lämmittimet pitämässä rikin nestemäisenä. Tällä hetkellä NaS-akut maksavat seitsemän kertaa niin paljon kuin lyijyakut, mutta niiden hinnan odotetaan laskevan suurempien tuotantomäärien myötä, sillä sen rakennemateriaalit ovat yleisiä ja halpoja. Suurin haittapuoli NaS-akuissa on korkea lämpötila, josta voi aiheutua turvallisuusriskejä. Lisäksi akkua on ladattava 24 tunnin välein, jotta natrium ja rikki eivät kiinteytyisi. Autonvalmistajista Ford tekee kehitystyötä NaS-akkujen parissa Natrium-nikkelikloridi -akut (NaNiCl 2 ) Natrium-nikkelikloridi -akkuja kehittää saksalainen AEG Anglo Batteries GmbH. Akun toimintalämpötila on 300 C, mutta se on valmistajan mukaan turvallinen onnettomuustilanteissa ja se pystyy toimimaan, vaikka yksi akun kennoista lakkaisi toimimasta. Tämä akku voidaan jäähdyttää ja lämmittää uudestaan ilman akun vahingoittumista. Akusta ei kuitenkaan saada virtaa, jos lämpötila on alle 270 C. Valmistuskustannukset tälle akulle ovat toistaiseksi hyvin korkeat. (Ehsani et al. 2005). 5.5.Muut akkutyypit Lisäksi on olemassa muutamia muita akkutyyppejä, kuten sinkki-ilma, alumiini-ilma, nikkeli-vety, rauta-ilma, nikkeli-sinkki, sinkki-kloridi ja sinkki-bromini, joiden rooli ajoneuvokäytössä ei kuitenkaan ole kovin merkittävä.

27 27 Tyyppi Ominaisenergia (Wh/kg) Huipputeho (W/kg) Energiahyötysuhde (%) Elinikä (sykliä) Itsepurkautuvuus (% / 48h) Hinta (US$ / kwh) Lyijy/happo > , Nikkeli/ kadmium Nikkeli/rauta Nikkeli/ metallihydridi Natrium/rikki Natrium/ nikkelikloridi Litium/ rautasulfidi ? 110 Litium-ioni > ,7 200 Taulukko 5.1. Eri akkutyyppien tunnuslukuja. (Ehsani et al. 2005, s. 308). Taulukossa 5.1 on esitelty eri akkutyyppien tunnuslukuja. Jokaisella tyypillä voidaan todeta olevan omat vahvat osa-alueensa, mutta litium-pohjaiset akut tuntuvat olevan joka suhteessa ominaisuuksiltaan vahvoja ja ilman merkittäviä heikkouksia. Juuri siksi niihin kohdistuvat odotukset ovat kovat. Tosin vielä taulukon lukujakin parempiinkin suoritusarvoihin on litium-pohjaisilla akuilla päästy, varsinkin eikaupallisissa, vielä prototyyppiasteella olevissa tuotteissa. Saksalainen akkuvalmistaja Fortu lupaa uuden litiumakkunsa kapasiteetin olevan 60 Ah ja ominaisenergian 200 Wh/kg (C/5). Lisäksi kennojännite 4 V on suurempi kuin esimerkiksi Li-ion -akkujen 3,7 V, lyijyakkujen 2 V tai nikkeliakkujen 1,2 V. (Haakana 2007, s.14, s.20). Fortun litiumakku ja aiemmin mainittu Horizon-lyijyakku ovat esimerkkejä siitä, että akkujen tekniikka kehittyy ja uusia innovaatioita ja akkusukupolvia syntyy.

28 28 6.AKKUSÄHKÖAUTOIHIN LIITTYVIÄ TEKIJÖITÄ 6.1.Lataus- ja maksujärjestelmät Normaaliin lataamiseen (varaamiseen) tarvittava sähkövirta voidaan ottaa miltei mistä tahansa maadoitetusta sähköpisteestä. Julkisista latausasemista ladattu sähkö voidaan maksaa suoraan lataajaan kolikoilla, luotto- tai älykortilla tai se voidaan laskuttaa myöhemmin esimerkiksi elektronisen avaimen tunnistetietojen perusteella. Haittapuolena normaalilatauksessa on latauksen pitkä kesto. (Mäkelä 1994, s. 24). Pikavaraus- eli pikalatausjärjestelmät jaotellaan kolmeen eri ryhmään: suurteholataus, akuston vaihto ja metalli-ilma -akkujen metallilevyjen vaihto. (Mäkelä 1994, s. 24). Suurteholatausta varten tarvitaan tarkoitusta varten rakennettu latausasema. Suurteholatausaseman rakentaminen on kallista, koska suurten tehojen hallinta edellyttää erityislaitteita. Akkujen ja suurteholatausasemien standardoinnin puute aiheuttaa ongelmia erilaisten järjestelmien mahdollisen yhteensopimattomuuden vuoksi. Suurteholataaminen soveltuu vain akkutyypeille, jotka kestävät suuret virrat ja jännitteet ilman eliniän lyhenemistä. (Moore 1993, Mäkelän 1994 mukaan). Akuston vaihto onnistuu muutamassa minuutissa, mikäli akuston sijainti autossa on suunniteltu tätä silmällä pitäen. Järjestelmä voidaan toteuttaa siten, että jokaiseen autoon kuuluu kaksi akustoa, joista toinen on käytössä ja toinen latauksessa. Tämä mahdollistaa auton käyttämisen lähes ympärivuorokautisesti ja on huomattavasti edullisempaa kuin kahden auton hankkiminen. Harvemmin palvelua tarvitsevan ei ole taloudellista omistaa kahta akustoa. Heille soveltuisi järjestelmä, jossa esimerkiksi huoltoasemalla saa korvausta vastaan vaihtaa tyhjän akuston täysinäiseen. Järjestelmän toteuttaminen vaatii akku- ja autonvalmistajien sekä akuston vaihdosta huolehtivien tahojen yhteistyötä, jotta vaihtoakut sopisivat eri merkkisiin sähköautoihin. Kääntöpuolena on, että akkujen omistuskysymys saattaa aiheuttaa ongelmia. (DeLuchi et al 1989, Mäkelän 1994 mukaan). Metalli-ilma -akkujen lataamiseen riittää metallilevyjen vaihto tietyn ajosuoritemäärän jälkeen. Toimenpide on verrattavissa polttomoottoriauton öljynvaihtoon. Metallilevyjen vaihdon lisäksi akkuun tulee säännöllisesti lisätä vettä ja poistaa reaktiotuotteina syntyneet hydroksidit. Sinkki-bromiakuilla vastaava toimenpide on nesteen vaihtaminen. (DeLuchi et al 1989, Mäkelän 1994 mukaan). Yksi latausjärjestelmä on ns. sähköistetty maantie. Sen avulla sähköautojen toimintasädettä saadaan pidennetyksi. Tien päällysteeseen upotettu sähkökaapeli toimii virtalähteenä, josta auton pohjassa olevalla laitteistolla otetaan induktiivisesti sähköenergiaa. Mikäli energiaa saadaan enemmän kuin ajossa kulutetaan, ylimääräinen