(31) Metropolia Ammattikorkeakoulu Sähkötekniikan koulutusohjelma Martti Vilminko Sähköautojen hidas lataus - Autolämmitystolpat lataustolpiksi Sähkötekninen projekti 1, 2.5.2010 Ohjaava opettaja: Sampsa Kupari
1 SISÄLLYS 1 Johdanto...2 1 Lataustehon mitoitus sähköautolle...3 1.1 Sähköautojen akkukapasiteetti...3 1.2 Hidas ja nopea lataus...6 1.3 Keskimääräinen lataustarve kwh/vrk...7 3 Piharasiat ja niiden soveltuvuus sähköautolataukseen...10 3.1 Yleisiä huomioita...11 3.2 Markkinoilla olevia piharasiamalleja...12 3.2.1 Perusmallit...13 3.2.2 Sähköautolataukseen suunnitellut erikoismallit...19 3.2.3 kwh-mittarilla varustettuja malleja...21 3.3 Piharasian varustaminen kwh-mittarilla...22 4 Sähköauton latausjohdon pistoketyypin standardointi...24 5 Tulevaisuuden visioita liittyen sähköautolataukseen...25 5.1 Sähköenergian riittävyys sähköautolataukseen...25 5.3 Sähköautojen akut sähköverkon säätövoimana...26 Lähteet...29
2 1 Johdanto Ihmisen aiheuttama ilmastonmuutos on jo pitkään ollut laajan tiedeyhteisön hyväksymä tosiasia. Hallitustenvälisen ilmastopaneeli IPCC:n ilmastoraportin mukaan maailman keskilämpötila on noussut viimeisen sadan vuoden aikana 0,74 astetta. IPCC asettaa raportissaan tavoitteeksi, että lämpeneminen ei saisi nousta 2 Celsius-astetta enempää esiteollisen ajan tasosta [1]. Tämän katsotaan olevan rajana sille, että lämpenemisen seuraukset pysyvät vielä jonkinlaisessa ennustettavuudessa ja hallinnassa. Myös Suomen hallituksen tuoreessa ilmasto- ja energiapoliittisessa selonteossa asetetaan tavoitteeksi vähentää Suomen ilmastopäästöjä vähintään 80 prosenttia vuoden 1990 tasosta vuoteen 2050 mennessä [2]. Liikenteen osuus Suomessa on noin 20 % [3] kaikista kasvihuonekaasupäästöistä ja tästä tieliikenteen osuus on 80 % [4], joten liikenteellä on huomattava vastuu ilmastopäästöjen vähentämisessä. Mikäli haluamme säilyttää nykyisenmuotoisen motorisoituneeseen liikkumiseen perustuvan elämätapamme, meidän täytyy leikata radikaalisti myös liikenteen päästöjä. Tällä hetkellä tehokkain tapa autoilussa on siirtyminen mahdollisimman laajassa mittakaavassa puhtaisiin sähköautoihin, joiden välittömät päästöt on nolla. Työ- ja elinkeinoministeriön Sähköautot Suomessa työryhmän mietinnössä (elokuu 2008) esitetään tavoitteeksi, että Suomessa myytävistä uusista henkilöautoista 25 % olisi sähköverkosta ladattavia ja näistä 40 % täyssähköautoja vuoteen 2020 mennessä [5]. Tämän tavoitteen täyttyminen tulee sisältämään monenlaisia haasteita ja yksi merkittävä on riittävän laajan latausinfrastruktuurin rakentaminen. Ennen kuin sähköautoa voidaan hyödyntää muutenkin kuin kaupunkiautona, tarvitaan koko maan kattava latauspisteiden verkosto, joka sisältää niin sanotun hitaan lataamisen lisäksi myös nopean latauksen latauspisteitä. Valtaosan latauksesta voidaan kuitenkin tehdä hitaana, sillä suurimman osan aikaa auto seisoo parkkeerattuna kotona tai työpaikalla. Suomi on tämän suhteen suotuisassa asemassa, sillä meillä on satoja tuhansia autojen lämmitystolppia jo olemassa. Soveltuvin osin nämä käyvät tähän niin sanottuun hitaaseen lataamiseen.
3 Tässä projektityössä luotaan muun muassa millaisia vaateita sähköautoilla on latauksen suhteen, millaisia nykyiset lämmitystolpat käytännössä ovat ja käyn läpi mitä tulee ottaa huomioon muutettaessa autolämmitystolppia sähköauton latauskäyttöön sopiviksi. Lopuksi tarkastelen paria sähköautojen lataamiseen liittyvää laajempaa kysymystä. 1 Lataustehon mitoitus sähköautolle Sähköautojen latausongelmaa on syytä lähteä tarkastelemaan sähköautojen akkukapasiteetista ja ajomatkoista. Nämä ratkaisevat pääosin minkä tehoista ja mittaista latausta sähköauto vaatii. 1.1 Sähköautojen akkukapasiteetti Sarjatuotettuja sähköautoja ei toistaiseksi vielä ole Suomen markkinoille tarjolla, joten tarkastellaan muutamia automalleja, jotka ovat todennäköisimmin tulollaan. Lähimpänä meidän markkinoita on kaksipaikkainen Think City (kuva 1) kaupunkiauto siitä syystä, että sen tuotanto alkoi joulukuussa 2009 Valmet Automotive autotehtaalla Uudessakaupungissa. Tuotanto menee toistaiseksi ulkomaille, eikä automallin Suomen markkinoille tuloa ole vielä ilmoitettu. Kuva 1. Think City. Vaikkakin kohtuulliseen 100 km/h maantienopeuteen kykenevänä, Think City on ensisijaisesti kaupunkiauto. Lähin normaalia perheautoa vastaava sähköautomalli on Nissan Leaf (kuva 2), jonka valmistus alkaa vuoden 2010 aikana. Auto tulee aluksi
4 Japanin ja Yhdysvaltojen markkinoille ja Euroopan markkinoille se saapunee vuoden 2010 loppupuolella. Suomen markkinoille tulosta ei ole vielä tietoa. Kuva 2. Nissan Leaf Renaultilla on kehitteillä neljän sähköauton mallisto, joista hatchback-perhemalli Fluence Z.E. (kuva 3) on prototyyppiasteella. Markkinoille Renault kaavailee sähköautojaan vuoden 2011 aikana. Kuva 3. Renault Fluence Z.E. Kiinnostava panos sähköautomarkkinoille on pääosin harrastajavoimin toimiva Sähköautot Nyt! yhteisö. He ovat lähteneet siitä, että ei ole aikaa odottaa suurten autovalmistajien sähköautotuotannon alkamista vaan ovat kehittäneet konseptia, jossa perinteinen polttomoottoriauto konvertoidaan sähköautoksi. Yhteisö esitteli ecorollaksi
5 (kuva 4) nimeämänsä prototyypin syksyllä 2009. Nähtäväksi jää onko tällaisella konseptilla todellisuudessa edellytyksiä saavuttaa kysyntää. Kuva 4. ecorolla Mainittakoon vielä General Motorsin Chevrolet Volt (kuva 5), joka edustaa uudenlaista sähkömoottoripainotteista hybridimallia. Tämä auto liikkuu ainoastaan sähkömoottorin voimin, mutta sisältää myös perinteisen polttomoottorin. GM lupaa Voltille 40 mailin (n. 64 km) ajomatkan täysillä akuilla. Tämän jälkeen käynnistyy polttomoottori, joka tuottaa generaattorin kautta sähköä sähkömoottorille ja akustolle. Tällä ratkaisulla GM katsoo pystyvänsä murtamaan niin sanotun toimintamatka-ahdistuksen (eng. range anxiety), joka on ehkä keskeisin asenteellinen este kuluttajien kiinnostuksessa sähköautoja kohtaan. Kuva 5. Chevrolet Volt
6 Seuraavassa yhteenvetona mainittujen automallien valmistajien ilmoittamat akustojen kapasiteetit, ajomatkat ja energiankulutus (Taulukko 1). Taulukko 1. Automalli Akuston koko [kwh] Valmistajan ilmoittama ajomatka täysillä Kulutus [kwh/100 km] akuilla [km] Think City 28,3 180 15,7 Nissan Leaf 24,0 160 15,0 Renault Fluence Z.E. 20,0 160 12,5 Renault Kangoo Z.E. 20,0 160 12,5 ecorolla 30,0 150 20,0 Chevrolet Volt 16,0 64 25,0 Kun jätetään Chevrolet Volt huomioimatta sen vuoksi, että se polttomoottorin vuoksi ei ole puhtaasti sähkövoimalla kulkeva ajoneuvo niin esiteltyjen automallien keskimääräinen akkukapasiteetti on noin 25 kwh ja keskimääräinen kulutus noin 15 kwh/100 km. 1.2 Hidas ja nopea lataus Standardoitua määrittelyä, mikä on niin sanottua hidasta ja mikä taas nopeaa latausta, ei varsinaisesti ole olemassa, mutta esimerkiksi Enston teknologiajohtaja Matti Rae ehdottaa seuraavanlaista jakoa: Hidas lataus Keskinopea lataus Nopea lataus Ultranopea lataus = 1-vaiheinen alle 3,6 kw = 10,8 kw 40 kw = yli 50 kw = latausaika 5-15 minuuttiin Nopeaa latausta tarvitsemme lähinnä, kun lähdemme pidemmälle ajomatkalle tai meillä ei ole kotona tai työpaikalla mahdollista ladata autoa. Ja jotta todella päästäisin esimerkiksi 25 kwh sähköenergiamäärän lataukseen noin 10 minuutissa, tarvitsisimme
7 noin 150 kw tehoisen latauksen. Latausvirta olisi tällöin yli 650 A ja on luonnollista, että tämän tehoinen latauspiste vaatii aivan oman tekniikan. Koska tässä kirjoitelmassa on tarkoitus käsitellä lähinnä perinteisten autolämmityspiharasioiden käyttöä niin tarkasteltavana maksimivirtana on yksivaiheisen Schuko-pistorasian 16 A, jolloin edellisen määritelmän mukaan käsitellään vain hitaan latauksen piiriin kuuluvaa latausta. 1.3 Keskimääräinen lataustarve kwh/vrk Pääsääntöisesti sähköautojen akkujen lataustarve ja latausaika ilmoitetaan niiden täyden akkukapasiteetin mukaan. Eli kuinka kauan kestää tyhjien akkujen lataaminen täyteen varaustilaan. Tämä esitystapa toki ymmärrettävää, sillä yleensä tekniset arvot ilmoitetaan maksimiarvon mukaisesti huippunopeus, huipputeho ja niin edelleen. Todellisuudessa sähköauton akkuja ei kuitenkaan koskaan tarkoituksella ajeta ihan tyhjiksi, jolloin lataustarvekaan ei ole täyden akkukapasiteetin suuruinen, vaan kulloisenkin edellisen ajomäärän mukainen. Ja huomioiden, että sähköauto todennäköisesti tulee olemaan suurimman osan parkkeerausajastaan latauksessa, sen akkujen lataustarve on ihan käytännössäkin viimeisimmän ajomäärän mukainen. Suomalaisen autoilijan henkilöautolla suorittama keskimääräinen matkasuorite vuorokaudessa on noin 32 km (kuva 6). Lähdetään laskemaan ajamiseen tarvittavaa sähköenergian määrää tältä pohjalta.
8 Kuva 6. Kotimaan matkasuorite kulkutavoittain ja matkan tarkoituksen mukaan. Henkilöliikennetutkimus 2004-2005 [6, s. 15] Nissan ilmoittaa Leaf-sähköauton kulutukseksi 15 kwh/100 km, mutta käytetään tässä laskelmassa pohjoismaisen Nordic Energy Perspectives tutkimusprojektin pohjoismaisia energiajärjestelmiä luotaavan raportin ilmoittamasta kulutusarviosta 17-25 kwh/100 km keskiarvoa 21 kwh/100 km [7, s. 8]. Tässä on jo huomioitu laturin aiheuttamat tehohäviöt. Tällöin keskimääräinen ladattavan sähköenergian määrä E k vuorokaudessa saadaan seuraavasti: E k = s k kulutus = 32 km 210 Wh /km = 6720 Wh E k s k = sähköenergian määrä (keskimääräinen) = matka (keskimääräinen) 6,72 kwh on siis laskennallisesti keskimääräinen sähköenergian päivittäinen tarve suomalaisella sähköautoautoilijalla. Kun tämä suhteutetaan latauspisteeseen, jossa 16 A syöttö ja käytännössä latausvirta olisi 14 A niin keskimääräiseksi latausajaksi t k saadaan seuraavaa:
9 t k = E k U I = 6720 Wh 6720 Wh = 230 V 14 A 3220 W = 2,09 h t k = latausaika (keskimääräinen) E k = sähköenergian määrä (keskimääräinen) U = syöttöjännite I = latausvirta Kun palataan tarkastelemaan esimerkiksi Nissan Leafin akkukapasiteettia 24 kwh niin käytännössä siitä hyödynnettäisiin vuorokaudessa ajamiseen keskimäärin 28 %. Toki on huomioitava, että tässä laskelmassa on nimenomaan käytetty keskimääräistä päivittäistä ajomäärää. Esimerkiksi Porvoosta Helsinkiin omalla autolla töihin kulkeva ajaa noin 120 km päivittäin, jolloin lataustarve on liki nelinkertainen edelliseen laskelmaan verrattuna. Mutta kahdeksan tunnin latausaikakaan ei ole vielä ongelma vaikka latauksen suorittaisikin vain kotona, puhumattakaan, jos latausaika on jaettavissa kotona olevan latauksen ja mahdollisen työpaikan parkkipaikalla tapahtuvan latauksen välillä. On kuitenkin tarkoituksenmukaisempaa tehdä laskelmia keskiarvojen tai tietyn ennalta päätetyn kriittisen massan pohjalta silloin, kun tarkastellaan laajempaa kokonaisuutta. Kuvan 7 diagrammista laskemalla nähdään, että 81 % suomalaisista selviää alle 60 km autoilulla vuorokaudessa. Sovitaan tämä varsin kattavaksi kriittiseksi massaksi autoilijoita. Tällöinkin, edellisen laskelman pohjalta, keskimääräinen latausaika vuorokaudessa jäisi alle neljän tunnin. t k = E k U I = s k kulutus 60 km 210 Wh /km 12600 Wh = = U I 230 V 14 A 3220 W = 3,91 h Näistä laskelmista voimme päätellä, että hidas lataaminen on riittävän nopeaa suurimpaan osaan päivittäisestä autoilusta.
10 Kuva 7. Henkilöiden jakautuminen matkasuoritteen mukaan vuosina 1998-1999 ja 2004-2005. Henkilöliikennetutkimus 2004-2005 [6, s. 21] On myös syytä huomioida, että nämä kulutuslukemat edustavat tämänhetkistä sähköautojen energiankulutusta. Sähköauto ja sen moottoritekniikka ei suinkaan ole kehityksen päätepisteessä. Esimerkiksi General Motors on uutisoinut, että he kehittävät oman sähkömoottorimalliston valmistamiinsa sähköautoihin. He lupaavat uusien moottorien olevan 25 % kevyempiä ja 25 % tehokkaampia, kuin nyt esimerkiksi Voltsähköautossa käyttämänsä moottori [8]. Moottorien tehonohjauselektroniikka kehittyy myös ja parantaa jonkin verran koko sähköauton hyötysuhdetta. 3 Piharasiat ja niiden soveltuvuus sähköautolataukseen Laajan autolämmitystolppakannan vuoksi meillä on periaatteessa hyvä lähtövalmius sähköautojen lataamiseen. 16 A suojauksella varustettu pistorasia tarjoaa lataustehon, joka kattaa selvästi suurimman osan sähköautoilijoiden lataustarpeesta. Käytännössä ainoana rajoituksena näiden lämmitystolppien muuntumisessa täyspainoisiksi lataustolpiksi on piharasioihin asennetut ajastimet ja se, että nykyisissä piharasiaryhmissä ei ole kuluttajakohtaista sähköenergian kulutusmittausta.
11 3.1 Yleisiä huomioita Kun tarkastellaan kerrostalon piha-alueen autolämmityspaikkoja niin yleensä vanhoissa kiinteistökeskuksissa on 63 A pääsulakkeet ja autolämmitysryhmän sulakkeet pääsääntöisesti 25 A. Joissain 32 A ja harvemmin 63 A. VVO:n Vuokratalojen suunnitteluohjeessa (Vusu) ohjeistetaan mitoittamaan uudisrakentamisessa pääsulakkeet taulukon 2 mukaisesti. Taulukko 2. Pääsulakkeiden mitoitus. Vuokratalojen suunnitteluohje Vusu [9, s. 82] Asuntoja kpl Pääsulake 10-15 3 X 80 A 16-30 3 X 100 A 31-40 3 X 125 A 41-55 3 X 160 A 56-75 3 X 200 A 76-95 3 X 250 A Autolämmityspistorasioista Vusu ei anna muita ohjeita kuin, että autopaikoista sähköistetään asuntojen lukumäärää vastaava määrä ja että täytyy käyttää vuorokausikellolla ja vikavirtasuojalla varustettuja pistorasioita. Ryhmäjohto tulee mitoittaa 1500 W/autopaikka mukaan ja ryhmäsulakkeen mitoituksessa voidaan käyttää määräävänä tehona 1000 W/autopaikka [9, s. 83]. Autopaikka tarkoittaa tässä yhtä pistorasiaa. VVO:n tekniikka- ja hankintayksikön johtaja Kimmo Rintalan mukaan 80- ja 90- luvuilla asennetut autolämmitysryhmät on mitoitettu reilusti yli Vusun nykyisten ohjeiden, kun taas sitä vanhemmissa kohteissa mitoitus on vaatimattomampaa ja jonka vuoksi niissä on suosittu jonkinlaista kuormanohjusta. Usein näissä vanhemmissa kohteissa on lupa käyttää vain lohkolämmitintä. Autolämmityspaikkojen maksimimäärä per ryhmä muodostuu Vusun ohjeistuksella esimerkiksi 25 A ryhmäsyötöllä seuraavasti:
12 3 I U 3 25A 230V = P max / pistorasia 1000W / pr 17 pistorasiapaikkaa 3 = syöttöryhmän vaiheiden määrä I = syöttöryhmän sulakekoko U = verkkojännite P max = yksittäisen autopistorasian maksimiteho 32 A kolmivaiheryhmä mahdollistaa vastaavasti 22 paikkaa ja 63 A kolmivaiheryhmä 43 paikkaa. Pistorasiakotelo sisältää yleensä kaksi pistorasiaa, jotka kumpikin suojattu omilla 16 A johdonsuojakatkaisijoilla ja omilla tai yhteisellä 30 ma vikavirtasuojalla. Molemmilla pistorasioilla on oma ajastin, jolla voi ajastaa lämmityksen maksimissaan kahdeksi tunniksi päälle. Joissain vanhemmissa kohteissa, jossa ei ole pistorasiakohtaisia kelloja, on kuormanohjaus toteutettu esimerkiksi Termotaktin avulla, joka katkoo sähköä ulkolämpötilan mukaan. Tämä on kuitenkin väistyvää tekniikkaa ja esimerkiksi VVO:n kohteissa on järjestelmällisesti varustettu vanhojakin piharasioita ajastimilla. Uudet piharasiat tulevat aina ajastimen kanssa. Lämmitystolppien kytkentä toteutetaan 3-vaiheista ketjutusta käyttäen. 25 A ryhmässä kaapeloinnin on oltava vähintään 6 mm 2. Uusien pistorasiakoteloiden liitäntälaitteet mahdollistavat 16 mm 2 kaapeloinnin, mutta kustannussyistä toteutetaan useimmiten 10 mm 2 kaapelilla. Kaapelityyppinä on MCMK 4X10+10 mm 2. 10 mm 2 mahdollistaa ryhmän sulakekoon nostamisen aina 50 A asti, mikäli lämmitystolppien määrää tai olemassa olevan tolpparyhmän tehomäärää tarvitsee nostaa. Tämä on hyvä asia huomioiden tuleva suurempi tehon tarve ladattaessa sähköautoja. 3.2 Markkinoilla olevia piharasiamalleja Markkinoillamme on noin kymmenkunta eri piharasiavalmistajaa ja useimmilla on valikoimassa erilaisia valmiita malleja. On aivan perustason pistorasiakoteloita ja muutamalla myös jo malleja, joissa huomioitu jo myös sähköautolataus. Puhtaasti
13 sähköautojen lataukseen suunnattuja lataustolppamalleja löytyy muun muassa Enstolta ja Garolta, mutta keskityn nyt lähinnä piharasia-tyyppisiin malleihin seuraavin perusehdoin: - 16 A nimellisvirta - ei ajastinta - mahdollisuus lisätä pistokekohtainen kwh-mittari Internet-haulla löytyi parhaat tiedot seuraavien valmistajien piharasioista: - ABB - Fibox - Garo - Pike - Satmatic (entinen Siemens) 3.2.1 Perusmallit Seuraavassa mainittujen valmistajien piharasioiden perusmallit teknisin tiedoin ja kuvin niiltä osin kuin valmistajien netissä olevat esitteet tarjoavat. ABB Valmistaja: ABB Kotelomalli: CW_ (kuva 8) Normit: EN 60 439-1, -3 Nimellisjännite: 230/400V 50Hz Liittimet: 5 x (2x16)mm 2 Cu yksittäisissä liittimissä Kotelon materiaali: Katto ja pohja painevalettua ja lakattua alumiinia. Sivut ja kansi alumiiniprofiilia ja tiiviste EPDM-kumia. Pylväsasennus: Putkilaipalla 60 mm putkeen Lukko: Standardiavaimella ja - lukituksella. Muunlainen lukitus tilattavissa erikseen. Ruuvit: Kotelon ruuvit ruostumattomia
14 Kotelointiluokka: Värivaihtoehdot: IP44 Vakioväri tumman harmaa, erikoistilauksesta vihreä ja musta Pistorasiamoduli: CWB6 (kuva 9) Pistorasioiden lukumäärä: 2 kpl Johdonsuojavikavirtakytkinyhdistelmä: Nimellisvirta: Kotelon paino: Pistorasiamodulin paino: 2 kpl 16 A 3,9 kg 1,4 kg Kuva 8. ABB:n piharasiakotelo CW
15 Kuva 9. ABB:n pistorasiamoduli CWB6 Fibox Valmistaja: Fibox Malli: Piha 2J1V (kuva 10) Normit: EN 60439-1, EN 60439 Nimellisjännite: Liittimet: Kotelon materiaali: Pylväsasennus: Lukko: Kotelointiluokka: Värivaihtoehdot: Pistorasioiden lukumäärä: Johdonsuojavikavirtakytkinyhdistelmä (2x[16A + 30mA]): Kotelon paino: Pistorasiamodulin paino: 230V 50Hz 5 x (2x16)mm 2 Cu yksittäisissä liittimissä Lasikuituvahvisteinen polykarbonaatti Putkilaipalla 60 mm putkeen On IP24 Tumman harmaa 2 kpl 2+1 kpl 2,5 kg 1,4 kg
16 Kuva 10. Fibox Piha 2J1V Garo Valmistaja: Garo Malli: A 216-1 (kuva 11) Normit: EN 60439-1/ -3 ja EN 60703-1 Nimellisjännite: 230/400V 50Hz Liittimet: Suurin johdinpoikkipinta 35 mm 2 Kotelon materiaali: Alumiinirunkoisissa koteloissa on vakiona lukollinen oviluukku. Pylväsasennus: Pylväsasennuskotelossa on aina mukana alumiininen pylvässovite halkaisijaltaan 60 mm pylväälle. Lukko: Ruuvit: - Kotelointiluokka: IP34 Alumiinirunkoisissa koteloissa on vakiona lukollinen oviluukku. Värivaihtoehdot: Paino: Johdonsuojakatkaisija + yhteinen vikavirtasuojakytkin (2x16A + 30mA) Alumiinipinta, päädyt mustat Ei ilmoitettu 2+1 kpl
17 Kuva 11. Garo A 216-1 Pike Valmistaja: Pike Malli: Pike Pro 2 Av (kuva 12) Normit: Standardi EN-60439-1 / -3 Nimellisjännite: Liittimet: Kotelon materiaali: Pylväsasennus: Lukko: 230/400V 50Hz 5 x 16 mm 2 kytkentälaatta ketjutukseen Lasikuituvahvisteinen polykarbonaatti Putkilaipalla 60 mm putkeen On Ruuvit: - Kotelointiluokka: IP 24/34 Värivaihtoehdot: Paino: Pistorasioiden lukumäärä: Johdonsuojakatkaisija + yhteinen vikavirtasuojakytkin (2x16A + 30mA) Harmaa Ei ilmoitettu 2 kpl 2+1 kpl
18 Kuva 12. Pike Pro 2 Av Satmatic Valmistaja: Satmatic Malli: 8MMO441 /2 (kuva 13) Normit: Standardi EN-60439-1 / -3 Nimellisjännite: 230/400V 50Hz Liittimet: 5-napainen Cu- kytkentälaatta. Liittimiin (16 mm2) voidaan kytkeä seuraavat enimmäisjohdinmäärät: 1-3 kpl 16 mm 2 tai 1-4 kpl 1,5-10mm 2. Kotelon materiaali: Iskun- ja pakkasenkestävää lasikuituvahvisteista muovia Pylväsasennus: Putkilaipalla 60 mm putkeen Lukko: On Ruuvit: - Kotelointiluokka: Ei ilmoitettu Värivaihtoehdot: Harmaa Paino: Ei ilmoitettu Pistorasioiden lukumäärä: Johdonsuojavikavirtakytkinyhdistelmä (2x[16A + 30mA]): Johdonsuojakatkaisija + yhteinen vikavirtasuojakytkin (2x16A + 30mA) 2 kpl - Malli 8MMO451
19 Kuva 13. Satmatic 8MMO441 /2 Jokainen viidestä esitellystä mallista soveltuu sinällään hyvin sähköauton latauspisteeksi, kun käytössä on latausjohto Schuko-pistokkeella. Esitteiden perusteella kaikissa on riittävästi kytkentätilaa johdotukselle. Kaikissa on liittimet, joihin mahtuu kytkemään vähintään kaksi 16 mm 2 johtoa. Garon mallin liittimiin mahtuu jopa 35 mm 2 johdot, mikä mahdollistaa ryhmäsulakekoon nostamisen ja sitä myötä myös samaan ryhmään kytkettyjen piharasioiden määrän nostamisen. Suoraa kwh-mittarin lisäysmahdollisuutta mikään malli ei tarjoa. 3.2.2 Sähköautolataukseen suunnitellut erikoismallit Muutamalla valmistajalla on valikoimassaan nimenomaan sähköautojen lataukseen suunnattuja piharasiamalleja. Fiboxin valmistamasta mallista ei toistaiseksi ole tarjolla muuta kuin lehdistötiedotteen (26.1.2010) tiedot. Sen perusteella piharasia ei poikkea perinteisestä autolämmityspiharasiasta muuten kuin, että tässä ei ole ajastimia ja että kotelon väri on vihreä (kuva 14). Fibox tosin lupaa, että latausasemassa on varauduttu erilaisiin pistokevaihtoehtoihin ja että siihen on lisävarusteena saatavissa muun muassa käyttötuntimittari. Fiboxilta on saatavana myös päivityspaketti, jolla olemassa oleva Fibox autolämmityspistorasia muutetaan helposti sähköauton latausasemaksi. Tarkempaa informaatiota tai kuvia näistä ei ole esitetty vielä.
20 Kuva 14. Fiboxin sähköautolataukseen suunnattu piharasia. Garolla on oma vakiokoteloon sopiva erityinen pistorasiamoduli, joka hoitaa sähköautojen ja ladattavien hybridiautojen akkujen latauksen (kuva 15). Tämän lisäksi samaan elementtiin voidaan kytkeä perinteiseen tapaan omalla johdolla esimerkiksi hybridiauton moottorin esilämmitin ja/tai sisätilalämmitin. Hyvä huomio on tämä erillisen lämmityspistorasian säilyttäminen. Tulevaisuudessa sähköautoissa todennäköisesti tapahtuu sekä akkujen lataus, että tarvittava sisätilan lämmitys saman latausjohdon kautta, mutta erityisesti niin sanottujen plug-in-hybridiautojen joissa siis yhdistetty polttomoottori- ja sähkömoottoritekniikka kohdalla tarvitaan vielä kahta erillistä johtoa. Muunnosasennuksen kannalta kyseinen rasia on käytännöllinen sillä se ei vaadi uutta syöttöä ylimääräiselle pistorasialla vaan molemmat pistorasiat saavat virran samasta syötöstä. Kuorman ohjaus on toteutettu siten, että kerrallaan vain toisessa pistorasiassa on jännite kun ajastin kytkee lämmityspistorasian päälle se kytkee samalla akkujen latauspistorasian pois päältä. KWh-mittaria ei valitettavasti tässä modulissa ole.
21 Kuva 15. Garon sähköautolataukseen suunnattu piharasian pistorasiamoduli. 3.2.3 kwh-mittarilla varustettuja malleja Kun tarvitaan pistorasiakohtaista sähkönkulutuksen mittausta esimerkiksi taloyhtiön parkkipaikoilla, kätevin tapa on varustaa piharasia omilla kwh-mittareilla. Tällöin yhdellä ryhmäsyötöllä toteutettua ketjutettua kaapelointia ei tarvitse muuttaa. Tämän tyyppisiä rasioita on monella valmistajalla jo valmiina. Ne on suunnattu alkujaan esimerkiksi leirintäalue- ja vierasvenesatamakäyttöön sekä kuorma-autojen/linja-autojen pysäköintipaikoille, mutta rasiamallit käyvät soveltuvin osin myös sähköautolataukseen. Esimerkiksi ABB:lla on mallistossaan malli CWF2216E/10A (kuva 16). Kyseisessä mallissa on kwh-mittarit erillisen lukittavan kannen alla, mikä voi olla hyvä asia esimerkiksi taloyhtiönäkökulmasta. Tällaiset niin sanotut caravan-rasiat tosin ovat varustettuja harvinaisemmalla IEC 216-6 standardin eli teollisuuskäytön 1-vaiheisella pistorasialla tai tuttavallisemmin sanoen caravan-pistorasialla. Tällöin sähköauton latausjohdon koiraspistoke täytyisi vaihtaa vastaavaksi pistokkeeksi. Kuluttajan kannalta parempi vaihtoehto kuitenkin on, että sähköalan ammatti-ihminen varustaa piharasian suoraan Schuko-tyyppisellä pistorasialla. Samalla näissä yleinen 10 A suojaus voidaan nostaa 16 A:iin. Nykyisten piharasiamallien räätälöitävyys mahdollistaa tämän helposti ja mikäli räätälöinti onnistuu suoraan valmistajalta tilaamalla niin aina parempi.
22 Kuva 16. ABB:n niin sanottu caravan-malli CWF2216E/10A 3.3 Piharasian varustaminen kwh-mittarilla Toinen vaihtoehto on lähteä liikkeelle perusmallin autolämmityspiharasiasta, jossa ei ole ajastimia. Periaatteessa piharasiaan on helppo lisätä pienet ja edulliset suoraan DINkiskoon asennettavat kwh-mittarit. Hedtecilla on mallistossaan ES-25N energiamittari, joka on vain 18 mm leveä ja siinä suhteessa siis ongelmitta mahdutettavissa useimmissa piharasioissa johdonsuojakatkaisijoiden ja vikavirtasuojien väliin (kuva 17). Pieni varaus kyseisen mittarin kohdalla on sille ilmoitettu ympäristön alin toimintalämpötila -20ºC, joka on Suomen talvessa ajoittain riittämätön.
23 Kuva 17. Hedtec ES-25N kwh-mittari. ABB:lta löytyy malli MINI meter EE20 (kuva 18), jonka alimmaksi toimintalämpötilaksi on ilmoitettu -40ºC. Mittari on 52,5 mm leveä ja voi taas olla hieman ahdasta mahduttaa kaksi mittari samaan rasiaa. Kuva 18. ABB MINI meter EE20 kwh-mittari. Miltään piharasiavalmistajalta ei saanut suoraan tässä esitetyistä piharasiamalleista niin tarkkoja mittatietoja esitteistä, että olisi pystynyt arvioimaan mitä niihin saisi
24 mahtumaan. Myöskään ei kuvien perusteella näyttäisi DIN-kisko asennus onnistuvan. Käytännössä tarvitsisi siis konkreettisesti tarkastella mittareita ja piharasioita ja katsoa miten mittareiden asennus onnistuisi. Valitettavasti tähän työhön käytössä olevan ajan puitteissa ei ollut mahdollisuutta tällaiseen kokeiluun. Piharasiavalmistajille olisi suhteellisen vaivatonta kehittää markkinoille perusmalliin pohjautuva piharasianmalli, jossa mittarit valmiina. 4 Sähköauton latausjohdon pistoketyypin standardointi Tässä kirjoitelmassa esitetyt automallit ovat kaikki varustettu oman latausjohdon lisäksi myös Schuko-tyyppisellä pistokejohdolla, jolloin standardoitu lataus on mahdollista. Schuko-pistoke ei kuitenkaan pysty tulevaisuudessa täyttämään paria keskeistä tarvetta, jotka ovat suuri latausteho (= nopea lataus) sekä ohjausdatan välitys. Tällä hetkellä sähköautojen latausjohdoissa on sekava kirjo autovalmistajien itse kehittämiä erilaisia malleja. Tavoitteena on kuitenkin saada aikaiseksi yksi yhtenäinen pistoketyyppi, joka soveltuu mahdollisimman moneen automerkkiin ja maahan. Tätä standardointityötä tehdään parhaillaan. Kansainvälisellä tasolla sähköautojen latausjärjestelmien samoin kuin autoissa käytettävien sähköisten ja elektronisten komponenttien standardisoinnista huolehtii IEC (International Electrotechnical Commission). Sähköautojen latausjärjestelmiä standardisoi komitea IEC TC 69 ja elektronisia komponentteja lukuisat komponenttikomiteat, joiden työhön osallistumisesta vastaa Suomessa Suomen sähköja elektroniikka-alan kansallinen standardisoimisjärjestö.sesko [10]. Standardoidusta latausjohtotyypistä ei ole vielä päätöstä, mutta saksalainen sähkötarvikevalmistaja Mennekes pitää omaa malliansa standardin lähtökohtana (kuva 19). Kyseinen pistoke soveltuu niin yksivaiheiseen 230 V kuin kuin kolmivaiheiseen 400 V kytkentään aina 63 A virtaan asti. Pistoke sisältää myös liittimet mahdollista datasiirtoa varten (kuva 20). Tällainen on tulevaisuudessa tarpeen esimerkiksi, kun halutaan välittää dataa sähköverkon ja sähköautossa olevan laturin välillä.
25 Kuva 19 [11] Kuva 20 [11] 5 Tulevaisuuden visioita liittyen sähköautolataukseen Sähköautojen lataukseen liittyy tiettyjä laajempia haasteita, mutta myös mielenkiintoisia mahdollisuuksia. Tarkastellaan paria yksittäistä seikkaa tähän lopuksi. 5.1 Sähköenergian riittävyys sähköautolataukseen Sähköautojen määrän lisääntyminen tulee edellyttämään sähköenergian lisätuotantoa. Kuinka paljon sitä tarvitaan lisää? Mikäli kaikki Suomen nykyiset 2,7 miljoonaa autoa vaihdettaisiin nyt sähköautoihin ja yksittäinen sähköauto tarvitsisi päivittäin keskimäärin 6,72 kwh sähköenergiaa, tietäisi se vuositasolla noin 6,6 TWh:n lisäenergian tarvetta.
26 6,72 kwh 365 vrk 2.700.000 autoa = 6.622.560.000 kwh 6,6 TWh Tämän on 8,9 % Suomen vuonna 2008 tuottamasta sähköenergian määrästä (74,5 TWh) [12]. Mutta koska autokanta ei luonnollisestikaan vaihdu kerralla sähköiseksi niin tarkastellaan lisäenergian tarvetta vaikka TEM:n Sähköautot Suomessa työryhmän ennusteen mukaan. Tämän mukaan Suomessa myytävistä uusista henkilöautoista 25 % olisi sähköverkosta ladattavia ja näistä 40 % täyssähköautoja vuoteen 2020 mennessä [5]. Tämäkin arvio on todennäköisesti liian optimistinen sähköautojen yleistymisen suhteen, ja muistettava, että kyseessä on osuus uusista myytävistä autoista. Ei siis koko autokannasta. Mutta käytettäköön sitä kuitenkin pohjana. Oletetaan siis, että vuonna 2020 autokannasta olisikin 25 % sähköautoja niin vuosittainen lisäenergian tarve olisi neljäsosa eli 1,7 TWh 6,6 TWh:sta. Vuoden 2008 tuotannosta siis enää 2,2 %. Huomattava on, että tällainenkin laskelma on lähinnä suuntaa antava. Siinä ei ole huomioitu esimerkiksi miten kokonaisautokanta kasvaa, miten sähköautojen hyötysuhde kehittyy jne. Mutta näin karkeastikin laskien voidaan päätellä, että sähköenergian riittävyyden kannalta liikenteen sähköistyminen ei tule olemaan ongelma. Samaa totesivat syksyllä 2009 Electric Motor Show messuilla myös Energiateollisuuden yksikönjohtaja (sähköverkot) Kenneth Hänninen [13] ja Fortumin asiakkuuspäällikkö Juha Matikainen esitelmissään. Matikainen esitti Fortumin laskelmia, että jos sähkölämmittäjät siirtyvät hyödyntämään esimerkiksi ilmalämpöpumppua niin sillä saadaan sen verran sähköenergiaa säästettyä, mitä perheessä tarvitaan noin 50.000 km:n autoiluun [14]. Huomattava määräkään sähköautoja ei siis automaattisesti laukaise sähköenergian lisätuotantotarvetta. 5.3 Sähköautojen akut sähköverkon säätövoimana Sähkön kokonaiskulutus ei ole vuorokauden läpi tasaista vaan laskee yöllä ja kasvaa päivällä. Sähköenergian tuotannon täytyy seurata tätä vaihtelua eli tuotannon täytyy olla säätyvää (kuva 19). Erityistä säätötarvetta tarvitaan myös satunnaisiin kulutuspiikkeihin, mitä esimerkiksi talven kovat pakkaset tai häiriötilanne jollain suurella sähköntuotantolaitoksella aiheuttavat. Tulevaisuudessa säätövoiman tarve lisääntyy entisestään, kun huonosti säätyvän tuulivoiman osuus kasvaa kokonaisenergiantuotannosta.
27 Kuva 19. Sähkön keskimääräinen kulutuksen ja tuotannon vuorokausivaihtelu Suomessa heinäkuussa 2009. Diagrammi tuotettu Fingridin koko vuoden 2009 tuntikohtaisesta kulutus/tuotanto -taulukosta. [15] Tällä hetkellä joustavaa sähköntuotantokapasiteettia on vesivoima ja lauhdevoima. Lauhdevoima on ongelmallista, kun se perustuu pääasiassa fossiilisiin polttoaineisiin ja huonon hyötysuhteen vuoksi on myös erittäin kallista. Sähköautoissa piilee mielenkiintoinen mahdollisuus toimia sähköntuotantoa tasaavana säätökapasiteettina. Aiemmissa laskelmissa todettiin, että keskimääräinen ajamiseen tarvittava vuorokautinen energiamäärä suomalaisella sähköautoilijalla olisi 6,72 kwh. Jos sähköauton akun kapasiteetti on 25 kwh niin vuorokaudessa siitä jää käyttämättä siis yli 18 kwh. Miljoonan sähköauton ylimääräinen kapasiteetti vuorokaudessa olisi yhteensä 18 GWh. Tämä on kapasiteettia, joka sen sijaan, että olisi passiivisena varattuna akkuihin, voisi olla aktiivisesti hyödynnettävissä sähköverkon käyttöön. Koska todennäköisesti sähköauto tulee olemaan suuren osan aikaa kytkettynä lataukseen, se on samalla myös kytkettynä sähköverkkoon. Akkuja ladataan yöllä, jolloin tuotantoa voidaan nostaa, ja päivällä, auton ollessa kytkettynä työpaikan