SÄHKÖAUTOJEN SUORITUSKYKY MIHIN RIITTÄÄ TÄNÄÄN JA HUOMENNA Sähköurakoitsijapäivät Turku 19.11.2009 Kimmo Erkkilä Nils-Olof Nylund
SISÄLTÖ Yleistä Sähköauto, hybridi, plug-in hybridi toimintaperiaatteita esimerkkejä maailmalta Energian varastointi Hybriditekniikat kaupunkibusseissa Case Plug-In Prius DIY / kaupalliset Myyntimäärät ja yleistyminen Sähköautot Suomessa mietintö Päätelmiä 2
KIINNOSTUSTA SÄHKÖAUTOIHIN Sähkön merkitys niin autojen voimalinjassa kuin erilaisissa apulaitekäytöissä tulee lisääntymään Sähkö kiinnostaa useasta eri syystä, mm.: mahdollistaa energian kulutuksen alentamisen pätee niin hybrideihin kuin varsinaisiin sähköautoihin alentaa paikallisia päästöjä sähköä voidaan tuottaa hyvin erilaisista primäärienergian lähteistä mahdollistaa öljyn korvauksen liikenteessä antaa uusia vapausasteita autojen suunnittelussa 3
KANSAINVÄLINEN ENERGIAJÄRJESTÖ IEA HAVAHTUI ÖLJYN RAJALLISUUTEEN Uutisointi 3. elokuuta 2009: Varoitus: Öljyvarannot hupenevat nopeasti Katastrofaalinen niukkuus vaarantaa talouden elpymisen 4
HYBRIDEILLÄ TAVOITELTAVAT EDUT Jarrutusenergian palautus takaisin liike-energiaksi Hyödyt suurimmillaan kaupunkiajossa Sujuvassa maantieajossa ei hyötyä Turhien tyhjäkäyntijaksojen eliminointi Seisonta liikenneruuhkissa tai liikennevaloissa Polttomoottorin käyttöalueen parantaminen Polttomoottorin toimintaa paikataan tarvittaessa sähköteholla Ryömintä jonossa pelkällä sähköllä Vähennetään polttomoottorin nopeita kuormituksen muutoksia Mahdollisuus pienentää polttomoottoria down-sizing 5
HYBRIDIJÄRJESTELMÄT Rinnakkaishybridi Sähköjärjestelmä on asennettu perinteisen voimalinjan rinnalle Auto on ajettavissa tavanomaiseen tapaan ilman sähköjärjestelmän apua mekaanisen voimalinjan välityksellä Sarjahybridi Sarjahybridissä polttomoottori pyörittää vain generaattoria Autoa liikutetaan ainoastaan sähkömoottorin avulla Plug-In hybridi Sarja- tai rinnakkaishybridi, jonka akustoa voidaan ladata myös sähköverkosta 6
HYBRIDIJÄRJESTELMÄT Rinnakkaishybridi Sarjahybridi http://www.hybrid-autos.info/ 7
PLUG-IN HYBRIDIT Akkukapasiteetti mitoitettu mahdollistamaan pidempiä ajomatkoja pelkällä sähköllä Akkukapasiteetin kasvaessa Plug-in hybridi lähestyy toiminnallisesti sähköautoa, jossa on lisäksi polttomoottori varavoimanlähteenä (Erev) Useat valmistajat ovat ilmoittaneet tuovansa Plug-in hybridit sarjatuotantoon vuoden 2010 tietämillä Tällä hetkellä saatavilla konversiosarjoja nykyisiin hybridi-autoihin 8
SÄHKÖMOOTTOREIDEN TYYPIT 9
SÄHKÖAUTOJEN LUOKAT Kaupunkiautot eivät ehkä vastaa kuluttajien odotuksia uskottavia kun suuret valmistajat lähtevät mukaan kisaan Supersähköautot eivät sovi jokamiehen kukkarolle Tulevaisuuden perheautot vasta tällä autoluokalla tullaan saavuttamaan läpimurtoja Nissan Leaf plug-in hybridi vaikuttaa lupaavalta vaihtoehdolta 10
UUDENKAUPUNGIN TUOTTEET Superauto Fisker Karma Kaupunkiauto Think City Perheauto? 11
Mitsubishi i MIEV VARTEENOTETTAVIA VAIHTOEHTOJA KAKKOSAUTOLUOKKAAN Mitsubishi i MiEV Toyota FT EV Toyota FT EV Auton pituus (mm) 3400 3050 Paikkaluku 4 3 + 1 Sähkömoottori (kw) 47 45 Akun tyyppi litium-ioni litium-ioni Akun kapasiteetti (kwh) 16 11 Huippunopeus 130 110 Toimintamatka 140 80 Hintataso 30000 (veroton hinta) 12
MYÖS NISSAN PANOSTAA VAHVASTI SÄHKÖAUTOIHIN Visiona akkusähköautojen markkinaosuus 10 % vuonna 2020 pituus 445 cm 5 paikkaa akku 24 kwh toimintamatka 160 km moottori 80 kw/280 Nm 13
OPEL AMPERA PLUG-IN HYBRIDI/EREV 16 kwh:n litium-akusto T-muotoisena ratkaisuna toimintamatka sähköllä 60 km polttomoottorin iskutilavuus 1,4 l (82 hp) sarjahybridiratkaisu ajomoottorin teho 150 hv vääntömomentti 370 Nm huippunopeus 161 km/h kiihtyvyys 0 100 km/h 9 s ilmoitettu bensiinin kulutus ECE testissä 1,6 l/100 km CO2 päästö alle 40 g/km 14
MITKÄ TEKIJÄT RAJOITTAVAT SÄHKÖAUTOJEN YLEISTYMISTÄ? Urs Muntwyler, Chairman of IEA Implementing Agreement on Hybrid and Electric Vehicle seminaarissa Espoossa 15.12.2008: Sähköautoihin kohdistuva hype odotukset ja todellisuus eivät kohtaa Akkujen rajoitteet hinta, energiatiheys, syklikestävyys Sähköautokomponenttien tuotannon rajallisuus akut, tehoelektroniikka, moottorit, ohjausjärjestelmät Akkusähköautot, ladattavat hybridit ja autonomiset hybridit vaativat omat akkukarakteristiikkansa Sähkön varastointiin perustuvat tekniikat soveltuvat lähinnä henkilöautoihin 15
ENERGIAN VARASTOINTI Akut Perinteisesti suuri energiakapasiteetti verraten tehon anto/otto kykyyn Paljon erilaisia kemioita, joista ajoneuvokäytössä yleisimpiä: lyijy (Pb), perinteinen, edullinen, lyhytikäinen, painava Nikkeli-metallihybridi (NiMH), uudempi akkuteknologia Litium-ioni (Li-Ion), suhteellisen suuri energiakapasiteetti ja tehonanto/otto kyky painoon verrattuna Super(/Ultra)kondensaattorit Suhteellisen pieni energiakapasiteetti Suuri tehon anto/otto kyky Ihanteellinen jarrutusenergian talteenottoon 16
KAIKKI RIIPPUU AKUSTA Fulton et al. 2009 17
VAATIMUKSET AKUILLE Hybridiauto tyypillinen akkukapasiteetti 1-2 kwh lyhytaikainen tehovarasto käytetään vain osaa kapasiteetista Akkusähköauto tyypillinen kapasiteetti 15 30 kwh tärkein ominaisuus energian varastointikyky puretaan tyhjäksi tai melkein tyhjäksi Plug-in hybridi tyypillinen kapasiteetti 5 15 kwh tarvitaan sekä energian varastointikykyä että tehon luovutuskykyä teknisesti haastavin ja kallein akkusovellus 18
AKKUKAPASITEETIN TARVE JA AKKUKUSTANNUS Cazzola/IEA 2009 19
HYBRIDIJÄRJESTELMÄT Muut jarrutusenergian regenerointiin kehitetyt hybridijärjestelmät Hydraulihybridit heikko hyötysuhde, yksinkertainen Vauhtipyörähybridit mekaanisesti erittäin haasteellisia, kehitys jatkuu Volvo Cumulo hydraulihybridi, Lontoo 1985 www.countrybus.org/ailsa/c1.htm KERS Kinetic Energy Recovery System Xtrac F1 sovellus kaudelle 2009 hydraulicinnovations.net/brochure 20
KAUPUNKIBUSSIT IHANTEELLINEN AJONEUVOLUOKKA HYBRIDISOVELLUKSILLE 60 50 Kaupunkibussien Helsinki-syklin ajonopeusprofiili Paljon nopeudenmuutoksia ja lyhyitä joutokäyntijaksoja Ajonopeus km/h 40 30 20 10 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Aika s 21
LIIKE-ENERGIA AJONOPEUDEN SUHTEEN 1.2 Liike-energian määrä (1/2mv^2) 1 Liike-energia kwh 0.8 0.6 0.4 0.2 Auton massa 18000 15000 12000 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Ajonopeus km/h 22
KAUPUNKIBUSSIN ENERGIANKÄYTTÖ 180 160 Ajovastuksen ja liike-energian osuus työmäärästä Helsinki-bussisyklissä, teoreettinen tarkastelu 2-akselinen kaupunkibussi, 15000 kg Tehontarve Jarrutusteho Ajovastusteho Ajonopeus 100% 12 140 10 Ajonopeus km/h, Vastusteho kw 120 100 80 60 76% 8 6 4 Työkertymä kwh 40 24% 2 20 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Aika s 0 23
HYBRIDIN POTENTIAALIARVIO Kaupunkibussien Helsinkisyklin keskinopeus n.20 km/h Kulutus kaksiakselisella perinteisellä kaupunkibussilla noin 50 l/100 km n. 40 l/100 km kuluu liikkumiseen, josta n. 76% kiihdytyksiin (30 l/100 km) Hybridin jarrutusenergian regenerointipotentiaali, kevytrakennetekniikka n. 24% ajovastuksiin, (10 l/100 km) Ajoneuvon suunnittelu, paino, ajovastukset n. 10 l/100 km pohjakulutukseen (tyhjäkäynti, apulaitteet, häviöt) n. 30% (3 l/100 km) puhdasta tyhjäkäyntiä ajoneuvon seistessä hybridin moottori mahdollista sammuttaa auton seistessä, ilman käynnistämisestä aiheutuvaa viivettä pysäkiltä tai liikennevaloista lähdettäessä (moottorin käynnistys ajoneuvon liikkuessa sähköllä) n. 70 % (7 l/100 km) ajoneuvon liikkuessa syntyvää pohjakulutusta hybridin pienempi moottori auttaa hieman, mutta suuri osa tarvitaan edelleen ajoneuvon varusteiden ja laitteiden käyttämiseen 24
Volvo Bus: Rinnakkaishybridi Ni-Mh akut Markkinoille tulo 2009 22.8.2008 http://www.volvo.com/bus/global/en-gb/volvogroup/environment/going+greener/hybrid/ 25
Scania: Sarjahybridi Superkondensaattorit Esisarja Tukholmaan 2008-2009 Markkinoille tulo? 22.8.2008 http://www.scania.com/news/press_releases/2007/q2/n07031en.asp# 26
Mercedes-Benz: Sarjahybridi Litium-Ioni akut Tuotantoon 2009 22.8.2008 http://www.autobloggreen.com/2007/05/21/mercedes-benz-introducing-new-series-hybrid-bus/ 27
MAN: Sarjahybridi Superkondensaattorit Esisarja testauksessa Tuotantoon 2010? 22.8.2008 http://www.siemens.by/en/press/news/2007/hybridbus/ 28
Kabus: Rinnakkaishybridi Superkondensaattorit Prototyyppi testauksessa Tuotantoon? 22.8.2008 http://www.kabus.fi/tuotteet/kabus-hybridilinja-auto 29
KABUS HYBRIDI Auton kevytrakenteisuus säästää polttoainetta jo n. 20%, josta hybridijärjestelmä edelleen n.30%. Polttoaineensäästö yhteensä n. 45% 22.8.2008 http://www.kabus.fi/tuotteet/kabus-hybridilinja-auto 30
TOYOTA PRIUS Plug-In hybridit CalCars yhteisö rakensi ensimmäisen Plug-In muunnoksen Priuksesta 2004 The California Cars Initiative (CalCars.org) is a Palo Alto-based nonprofit startup of entrepreneurs, engineers, environmentalists and consumers promoting 100+MPG plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs) CalCars yhteisö toimii siis voittoa tavoittelemattomasti ja koko suunnittelu on tehty open-source periaatteella vastaavan Plug-In järjestelmän rakentamiselle löytyy kaikki tarvittavat ohjeet Sittemmin useat autojen muunnoksiin erikoistuneet yritykset ovat jatkaneet kehitystyötä ja tarjoavat muunnospaketteja joko DIY-rakentelijoille tai useammin asennettuna Uudemmissa kehitysversioissa mahdollista korvata lyijyakut kehittyneemmillä NiMh tai LI-Ion akustoilla. Tehtaan optiona tulossa myös uuteen vuosimallin 2010 Priukseen. Aluksi kuitenkin vain 500 erä. 31
PRIUS PLUG-IN HYBRIDIT Konversiot sisältävät lisäakkupaketin, latausjärjestelmän ja ohjausjärjestelmän Toimintasäteet sähköllä tyypillisesti 15-50 km Lisäpaino 70-150 kg Akkujen kestoikä 1-10V, riippuen akkuteknologiasta ja käytöstä Hinta 3 40 k$ (DIY lyijyakkupaketin osat vs. kallein valmis konversio) Konversioita tehty lähinnä Yhdysvalloissa ja määrä vielä marginaalinen (luokkaa 200 kpl) + 32
PRIUS PLUG-IN HYBRIDIT 33
Hymotionin setti on yksi suosituimmista. VTT:llä yksi konvertoitu Prius kyseisellä paketilla kenttäkokeessa. Auto parkkipaikalla nähtävänä. 34
MYÖS LATAUSJÄRJESETELMÄT VAATIVAT HUOMIOTA 35
MITÄ SÄHKÖAUTO MAKSAA (IEA 2009) Akkukapasiteetti maksaa tällä hetkellä luokkaa 1000 USD/kWh Lähitulevaisuudessa (parin vuoden kuluessa) hinta voisi laskea tasolle 500 USD/kWh 150 km:n sähköiseen ajomatkaan tarvitaan luokkaa 30 kwh 30 kwh:n akkupaketti maksaa luokkaa 15.000 30.000 USD Polttomoottorin poisjättäminen autosta säästää 2.000 4.000 USD Akkusähköauto on vähintään 10.000 USD ja pahimmillaan 30.000 USD polttomoottoriautoa kalliimpi Akkukapasiteetti kannattaa mitoittaa järkevästi! Fulton et al./iea 2009 36
HYBRIDIEN MYYNTIMÄÄRÄT Toyota Priusta yksistään myyty jo yli 1.5 miljoonaa kpl (maailmassa yli 800 miljoonaa henkilöautoa) Yhdysvalloissa hybridien osuus uusina myytävistä henkilöautoist noin 3 % Sähköautojen määrät lasketaan tuhansissa (muut kuin erikoisajoneuvot) http://www.hybridcars.com 37
IEA:N PITKÄN AIKAVÄLIN PROJEKTIO Eri henkilöautotyyppien osuudet progressiivisessa BLUE Map -skenaariossa Fulton et al./iea 2009 38
ARVIO SÄHKÖAUTOJEN MYYNNIN KEHITYKSESTÄ 2020: 2 milj. EV ja 5 milj. PHEV 120 kokonaismyynti 90 milj./a sähköautojen osuus 8 % Passenger LDV Sales (million) 100 80 60 40 20 Electric Plug in hybrid diesel Plug in hybrid gasoline edellyttää PHEV:n osalta: 30 mallia joita myydään vuodessa yli 150.000 kappaletta 2030: 9 milj. EV ja 25 milj.phev kokonaismyynti 120 milj./a 0 sähköautojen osuus 28 % 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050 Fulton et al./iea 2009 39
SÄHKÖAUTOJEN KEHITYSTILANNE JAPANISSA Current Status - 2010-2020 - 2030 [Electric vehicle (EV) [More efficient [Standard-sized EV] [Compact EV] Eliica] compact EV] Placed on the market in 200 km mileage per Zero CO2 emission 2010 500 km one charge mileage per Short mileage 130 km mileage per one Target price is 2 0.2 billion yen per charge one charge million yen EV Target price is 3 million Target price yen [Plug-in HV] is 3 million [The first PRIUS] yen [High performance HV] Target to place on the market in Placed on the Placed on the market in around 2015 market in 1997 2007 Rechargeable HV 2/3 CO2 emission Target CO2 emission is 1/2 1/3 CO2 emission Action Program Improvement of battery performance and decline in cost Strategy 1 Battery Start of R&D project for next-generation vehicle batteries Establishment of the system for battery-charger stands and to secure safety 2 times battery performance, 1/4 cost N. Iwai/NEDO 12/2008 40
SÄHKÖAJONEUVOT SUOMESSA -TYÖRYHMÄ Asetettiin helmikuussa 2009 Puheenjohtajana TEM:in innovaatio-osaston johtaja Petri Peltonen Pääpaino elinkeinopolitiikassa (uusi liiketoiminta) Mietintö luovutettiin ministeri Pekkariselle 6.8.2009 41
Sähköajoneuvotoimialan tavoitetila vuonna 2020 Sähköajoneuvojen valmistuksesta ja niiden komponenteista, ohjelmistosta ja suunnittelusta on vuonna 2020 muodostunut merkittävä vientiteollisuuden toimiala Suomeen. Sen perustan muodostavat nykyisten autojen kokoonpanoteollisuuden kehittyminen, kotimaisen akkuteollisuuden synty sekä ohjelmisto-, sähkökone- ja tehoelektroniikkateollisuuden kasvun suuntautuminen sähköajoneuvoihin. Toimialaa vahvistavat sen synergiat liikkuvien työkoneiden valmistuksen sekä sähköajoneuvojen latausinfrastruktuurin ja -palveluiden kanssa sekä yhteiskunnan panostus alan koulutukseen ja tutkimukseen. Suomalaisen sähköajoneuvotoimialan (nykyarvoinen) vuosiliikevaihto vuonna 2020 on 1-2 miljardia euroa ja välitön työllistävä vaikutus useita tuhansia työpaikkoja. Yhteiskunta kannustaa sähköajoneuvojen ja muiden energiatehokkaiden ajoneuvojen käyttöönottoon Suomessa. Vuonna 2020 Suomessa myytävistä uusista henkilöautoista 25% on sähköverkosta ladattavia ja näistä 40 % (eli 10 % kaikista) täyssähköautoja. TEM / INNO 2009
Toimenpidesuositukset on jaettu neljään kokonaisuuteen 1. Sähköajoneuvotoimialan (-klusterin) kehittäminen 2. Sähköajoneuvojen kokeilu- ja konseptihankkeiden käynnistäminen 3. Sähköajoneuvojen hankinnan ja käytön kannusteet 4. Latausinfrastruktuurin kehittäminen ja muut alan kehitystä tukevat toimenpiteet Suomalaisen sähköajoneuvotoimialan kehittymisen ja kasvun kannalta toimenpiteiden toteuttaminen on tarkoituksen mukaista vaiheistaa niin, että päähuomio kiinnitettäisiin aluksi alan osaamisen ja kansainvälisen liiketoiminnan kehittämiseen sekä kokeilu- ja konseptihankkeisiin (suosituskohdat 1 ja 2). Sähköajoneuvojen tarjonnan lisääntyessä ja kuluttajamarkkinoiden vahvistuessa näiden rinnalle tuotaisiin hankinnan ja käytön kannusteet sekä ajoneuvokannan edellyttämän latausinfrastruktuurin kehittämiseen liittyvät toimenpiteet (suosituskohdat 3 ja 4). TEM / INNO 2009
SÄHKÖAJONEUVOT SUOMESSA - ERITYISPIIRTEITÄ Vahvaa sähköteknistä osaamista European Batteries in akkutehdas Valmet Automotiven autotehdas Työkoneiden valmistusta Olemassa oleva sähkön jakeluinfrastruktuuri (lohkolämmitinrasiat) Vähähiilinen sähköntuotanto (sekä oma tuotanto että Nordpool) 44
MIKÄ JARRUTTAA SÄHKÖKÄYTTÖJEN YLEISTYMISTÄ? Hybridejä ja sähköautoja on kehitelty jo 1800-1900 -lukujen vaihteessa, mutta miksi ne eivät ole yleistyneet? Vastaus piilee vain ja ainoastaan akkuteknologiassa Kapasiteetti ja kestoikävaatimukset suhteessa painoon ja hintaan 45
AKKUTEKNOLOGIAN KYPSYYS Hybridien yleistyminen kertoo, että energian varastointitekniikat alkavat olla kypsiä pienen akkukapasiteetin avulla tapahtuvaan energian bufferointiin, ilmaista energiaa kannattaa ottaa talteen Plug-in hybridien yleistyminen puolestaan kertoo että auton liikuttamiseen käytettävää energiaa kannattaa jopa ladata sähköverkosta ja kantaa autossa mukana Plug-in hybrideissä akkutekniikan kehittyminen tulee pienentämään polttomoottoria, kunnes se surkastuu vain määränpäähän pääsyn turvaa lisääväksi hätäjärjestelmäksi Kun akkuteknologia on riittävän kypsää, voi sähköautojen aika alkaa uudelleen. Riittääkö kypsyys jo ensivuonna? 46
PÄÄTELMIÄ Sähkökäyttöjen osuus (varsinainen voimansiirto ja apulaitteet) lisääntyy kaikissa ajoneuvoryhmissä Akkutekniikassa on tapahtunut merkittäviä edistysaskeleita, mutta akkusähköautojen yleistymisen nopeuteen ja kustannuskehitykseen liittyy kysymysmerkkejä Suomalaisen sähkö- ja ajoneuvoteknisen teollisuuden kannattaa olla hereillä Ilmassa on siis sähköä, ja aivan varmasti kohta (ennen vuotta 2020) alkaa tapahtua! 47