Onko sähköautoissa tulevaisuus? www.autoblog.com Markku Ikonen 29.11.2018 Turun ammattikorkeakoulu Ajoneuvo- ja kuljetustekniikka www.mercedes-benz.com
Sisältö Miksi bensaa ja dieseliä? Miksi etsimme vaihtoehtoja? Onko sähkö hyvä vaihtoehto? Hybriditekniikka Lataushybridi Polttokennoauto Sähköautojen tarjonta Suomessa Tulevaisuuden autokalusto ja -määrät
Turun AMK Ajoneuvo- ja kuljetustekniikka Tutkinto: Insinööri (240 op) 4 vuotta (60 op/v) Aloituspaikkoja 60 Valmistuvia 40 50 per vuosi Työllistyminen: Ajoneuvoalan jälkimarkkinointi Katsastusala Ajoneuvo- ja työkoneteollisuus Ajoneuvojen ja varusteiden myynti Viranomaistehtävät Vakuutusala
Autonostajan (ja myyjän) painajainen 95E10 98E5 GTL BTL NGV CNG LNG LPG FFV E85 RE85 EV BEV HEV PHEV REX EURO 6 EURO VI RME SME FAME HVO CO 2 CO HC NO X PM
Miksi bensaa ja dieseliä? Suurin energiatiheys Pisimmät toimintamatkat per tankkaus Pieni massa ja tilantarve Kevytrakenteinen tankki (muovi) Dieselin kulutus pienempi, litraerot liioittelevat taloudellisuuseroa ESIMERKKI: Bens. kulutus 10 l/100 km Dies. kulutus 7 l/100 km 7 10 100 % x = 30 % 10 Bens: 10 l x 9 kwh/l = 90 kwh Dies: 7 l x 10 kwh/l = 70 kwh 70 90 100 % x = 22 % (myös CO 2 ) 90
Miksi bensaa ja dieseliä? Akkusähkön energiatiheys paljon bensiiniä ja dieseliä pienempi DI: 12 kwh/kg, 10 kwh/l, 50 l = 500 kwh ~ 50 kg BE: 12 kwh/kg, 9 kwh/l, 50 l = 450 kwh ~ 45 kg www.biltema.fi Sähkö vs. diesel: 12 V 60 Ah lyijyakku 0.72 kwh 8.0 litraa, 0.1 kwh/l (= 1/100) 16 kg, 0.05 kwh/kg (= 1/240) Tesla 85 kwh ajoakku 540 kg, 0.16 kwh/kg (= 1/75) (hyötysuhde-ero huomioon otettuna 0.5 kwh/kg) (= 1/25) www.quora.com
Miksi etsimme vaihtoehtoja? Ilmastonmuutos ja öljyriippuvuuden vähentäminen V. 2012 96 % maailman liikenteestä öljyllä (International Energy Outlook 2012) Useat öljyn suurkuluttajamaat tuonnin varassa, kulutus kasvaa... Suurimmat öljyesiintymät harvojen valtioiden hallussa Poliittiset jännitteet saattavat vaikeuttaa saantia Riittävyysarviot vaihtelevat Sekä kysynnässä että tarjonnassa muutoksia MUTTA: Onko järkevää miettiä öljyn riittävyyttä (ILMASTONMUUTOS!) Ei kivikausikaan loppunut siihen, että kivet olisivat loppuneet.
Miksi etsimme vaihtoehtoja? Henkilöautojen osuus energiankulutuksesta merkittävä
Miten vähennämme CO 2 :ta? Fossiilispohjaisen hiilen polttamisen vähentämäinen CO 2 BENSIINISTÄ: 2350 g/l => VAIN KULUTUS MERKITSEE CO 2 DIESELISTÄ: 2650 g/l CO 2 -päästön voi laskea kulutuksesta ja päinvastoin Kulutuksen (l/100 km) vähentäminen Ajovastukset, hyötysuhteet, ajotapa, liik.sunnittelu Liikennöintitarpeiden (km) vähentäminen Yhdyskuntasuunnittelu, MaaS ym. Käyttötottumukset (pyöräily, julkinen liikenne ym.) Uusiutuvista (ei syötävistä) ja jätteistä/tähteistä valmistetut polttoaineet www.neste.fi www.yle.fi
Liikenteen CO 2 -päästöt ja tavoitteet Suomen liikenteen CO 2 -päästöt: Tieliikenne 90 % Vesiliikenne 4 % Lentoliikenne 2 % Rautatieliikenne 1 % Tieliikenteen päästöistä 58 % h-autoista 37 % p- ja k-autoista Loput l-autoista ja m-pyöristä ym. Suomen viralliset tavoitteet 2005 => 2030 Päästökaupan ulkopuolisen sektorin kasvihuonepäästöt 39 % pienemmät Liikenteen kasvihuonepäästöt pudotettava puoleen (Ympäristöministeriö)
Onko sähkö hyvä vaihtoehto? Sähkömoottorilla runsaasti etuja Vähän liikkuvia osia, yksinkertainen rakenne Voidaan käynnistää kuormitettuna (ei tarvita kytkintä) Momentti huipussaan heti nollakierroksista Laaja pyörintänopeusalue (ei välttämättä vaihteistoa) Hyötysuhde erittäin hyvä verrattuna polttomoottoriin Hankaluutena sähkön varastointi ja hidas tankkaus Toimintamatka jää lyhyeksi, ellei akku erittäin painava, tilaavievä ja kallis Lataus kestää kauan Chevrolet Volt 2017: Voltec Drive Unit www.autoweek.com www.vttblog.com
Onko sähkö hyvä vaihtoehto? Sähköauto paikallisesti päästötön, ilmastovaikutus riippuu sähkön tuotantotavasta Kokonaishyötysuhde n. 3-kertainen dieseliin nähden VERTAILU: diesel vs. sähköauto: Diesel: Kulutus 6.0 l/100 km = 60 kwh/100 km Dieselin tuottamisen hyötysuhde 0.9 6.0 l/100 km / 0.9 = 6.7 l/100 km CO 2 : 0.067 l/km x 2650 g/l = 178 g/km Sähkö: Kulutus 20 kwh/100 km (0.20 kwh/km) (1/3 dieselkulutuksesta) Sähkö hiilellä tehtynä: CO 2 = 860 g/kwh (seur.sivu) 860 g/kwh x 0.20 kwh/km = 172 g/km Sähkö vesivoimalla: CO 2 = 10 g/kwh (seur.sivu) 10 g/kwh x 0.20 kwh/km = 2 g/km www.brighthubengineering.com www.reserachgate.net TULOS: Hiilisähkö ei anna juurikaan CO 2 -etua dieseliin nähden, vesisähkö ylivoimainen
Onko sähkö hyvä vaihtoehto? 860 www.autovouhotus.fi Source: Carbon Footprint of Electricity Generation. Postnote update Number 383 June 2011. Houses of Parliament, Parliamentary Office of Science & Technology, United Kingdom 10 Source: Carbon Footprint of Electricity Generation. Postnote update Number 383 June 2011. Houses of Parliament, Parliamentary Office of Science & Technology, United Kingdom
Sähköauton lataaminen www.s-kanava.fi Normaali pistorasia hidas ja riskialtis Teor. maksimi 3.6 kw, käytännössä alle 2 kw turvallinen Yleensä auton valikosta voi rajata Erillinen kotilatauslaite ( wallbox ) ~ 1000 asennuksineen 3.6 kw (hybridi ~ 2h, 25 50 km, täyssähkö ~ 12 h, 200 300 km) 11 kw (täyssähkö ~ 4 h, 200 300 km) Pikalataus (tasavirralla), ei vielä yleistä 50 kw ~ 40 min 80 %:iin, 160 240 km 100 kw ~ 20 min 80 %:iin, 160 240 km www.procarreviews.com www.webastolataus.fi www.plugit.fi www.plugit.fi
Hybriditekniikka vakiintunut Toyota myynyt hybridejä jo 20 vuotta Päästään pieneen kulutukseen ilman seinäsähköä ( itselataava hybridi ) Ideana poltto- ja sähkömoottorin parhaiden ominaisuuksien hyödyntäminen Pieni tehontarve Polttomoottori ei käytössä Keskimääräinen tehontarve Polttomoottori liikuttaa autoa JA lataa akkua Hyötysuhde kasvaa Suuri tehontarve Sähkömoottori auttaa polttomoottoria Normaalia pienitehoisempi ja taloudellisempi polttomoottori riittää (usein Atkinson-työkierto) Akku voi olla pieni, täystehoa tarvitaan vain hetkittäin kuva: Toyota kuva: Toyota
Hybriditekniikka: oma kokemus 7.0 Prius II perheessä 2006 2016 200 000 km Jokainen tankkaus rekisteröity Kulutus < 5 l/100 km Ennätys: 1310 km 55 litralla Vain yksi ylimääräinen huoltokäynti Toyota Toyota Prius Prius - Annual vuotuiset average keskikulutukset fuel consumption Kulutus [l/100km] km] 6,0 5,8 5,6 5,4 5,2 5,0 4,8 Kumulatiivinen polttoaineenkulutus [l / 100 km] 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 5.60 5.31 4.90 4.77 4.81 4.73 4.78 4.49 Hinta ( /l) [ / l] 4,6 1,80 1,70 1,60 1,50 1,40 1,30 1,20 6.9.06 2007 2008 2009 2010 2011 2012 Päivämäärä Vuosi / vuosi Bensiinin hinta 8.9.13 0.0 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 (6.9. alkaen) 8.9 saakka) 1,10 1,00 6.9.06 6.1.07 2007 2008 2009 2010 2011 2012 8.5.07 7.9.07 7.1.08 8.5.08 7.9.08 7.1.09 9.5.09 8.9.09 8.1.10 10.5.10 9.9.10 9.1.11 11.5.11 Päivämäärä / vuosi Päivämäärä Päivämäärä / vuosi 10.9.11 10.1.12 11.5.12 10.9.12 10.1.13 12.5.13 8.9.13 11.9.13
Hybriditekniikka: oma kokemus Miksi pitää moottoria käynnissä alamäessä ja hidastuksissa? Mitä pitempään auto rullaa vapaalla moottori sammuksissa, sitä pienemmäksi muuttuu kulutus Kun moottori ei käy, jakoviivan päällä oleva lukema (litrat) pysyy vakiona, kun taas alla oleva (km) kasvaa ]l/100 km] 6 5 4 3 2 5.00 4.55 4.17 3.57 3.85 3.13 3.33 2.94 2.78 2.50 2.63 l km = 0 l/100 km = l/100 km 1 1.0 km 1.5 km 2.0 km
Lataushybridi: väliaikaisratkaisu? Tyypillisiä lat. hybridien arvoja: Akku 6 10 kwh Lataus 2.5 4 h (230 V, 12 A => 2.7 kw) Latausteho erill. laturilla 3.6 kw Sähköajomatka 20 60 km Lisämassa 150 300 kg Bens. kulutus riippuu akkukapasiteetin ylittävien matkojen määrästä Kirjoittajan toteutuneet arvot: 25 522 km, 830 l => 3.25 l/100 km 24 806 km, 2468 kwh => 9.95 kwh/100 km Energiakustannus n. 5.83 /100 km Max tankkausväli 2315 km kuva: BMW kuva: BMW
Polttokennoauto Polttokenno tuottaa vedystä ja hapesta sähköä Pakokaasut : vesihöyryä ja lämpöä Autoa liikuttaa sähkömoottori Akku tarvitaan jarrutusenergian talteenottoon sekä nopeisiin kuormituksen lisäyksiin Mahdollisesti tulossa pitkän matkan liikenteeseen Jos akkutekniikka harppaa, ei ehkä tarvita Kaupallisia autoja vain muutamia Toyota Mirai Honda Clarity Hyundai Nexo kuva: Hyundai kuva: Toyota Europe
Sähköautojen tarjonta Suomessa Merkki ja malli Hinta Akku Teho Omamassa BMW i3 40 190 e 42 kwh 125 kw 1320 kg Hyundai IONIC Electric 36 790 e 28 kwh 88 kw 1495 kg Hyundai Kona 42 990 e 64 kwh 150 kw 1510 kg Kia Soul EV 35 320 e 30 kwh 81 kw 1505 kg Nissan Leaf 36 080 e 40 kwh 110 kw 1580 kg Nissan e-nv200 37 750 e 40 kwh 80 kw 1573 kg Renault Zoe 33 390 e 40 kwh 41 kw 1502 kg Renault Kangoo 32 10 e 33 kwh 44 kw 1501 kg Smart EQ fortwo 25 850 e 17.6 kwh 60 kw 1085 kg Tesla Model S 93 000+ e 75 100 kwh 270+ kw 2000+ kg Tesla Model 3 USD 35 000 50 kwh ~150 kw? 1610 kg VW e-up! 29 390 e? 60 kw? VW e-golf 43 110 e? 100 kw?? www.bmw.fi www.volkswagen.fi Taulukko: media.autotietokanta.fi ja eri merkkien nettisivut. Voi olla virheitä
Lähitulevaisuuden autokalusto Hybridit, lataushybridit yleistyvät Täyssähköautot yleistyvät Polttokennoautot (vetykäyttöiset) lisääntyvät hitaasti, voi jäädä kuriositeetiksi, jos akkutekniikka ottaa hyppäyksiä Maakaasuautot yleistyvät, mahdollisuus biokaasun käyttöön merkittävä etu FFV-autot (E85) kysymysmerkki Dieselmoottori harvinaistuu pikkuautoissa Euro 6:een vaadittava kemiallinen tehdas pakoputkistossa liian kallis ja suuri pikkuautoihin Bensiinimoottorikin kehittyy edelleen Monipuolisemmat venttiilinajoitus ja nosto Monivaiheinen ahtaminen Muuttuva puristussuhde ym.
Vuoden 2030 automäärät EU:n h-autokauppa v. 2030: Yli 55 % sähköautoja 40 % hybridejä Vain muutama % polttomoottoriautoja H-autokanta eri mantereilla v. 2030: EU: supistuu yli 25 % => 200 milj. USA: supistuu 22 % => 212 milj. Kiina: rajua kasvua, 276 milj. autoa Uusien myynti ei vähene, vanhoja romutetaan Tulevaisuudessa käyttöikä lyhenee (kuluvat nopeammin, yhteiskäyttö ja automaattiajo) Lähde: PricewaterhouseCoopers Havainto: Biopolttoaineita (uusiutuvat dieselit, etanoli ym.) ja kaasuja ei mainita EU USA KIINA SÄHKÖ HYBRIDIT POLTTOMOOTTORIT Henkilöautot eri alueilla (miljoonaa) 200 280 212 272 217 276 0 50 100 150 200 250 300 2018 2030