LITIUMAKKUKEMIKAALIT AUTOTEOLLISUUDESSA

Anna Hintsala & Marke Paavola LITIUMAKKUKEMIKAALIT AUTOTEOLLISUUDESSA Opinnäytetyö KESKI-POHJANMAAN AMMATTIKORKEAKOULU Automaatiotekniikan koulutusohjelma Toukokuu 2008

KESKI-POHJANMAAN TIIVISTELMÄ AMMATTIKORKEAKOULU Automaatiotekniikan koulutusohjelma Työn tekijät: Työn nimi: Anna Hintsala & Marke Paavola Litiumakkukemikaalit autoteollisuudessa Päivämäärä: 28.4.2008 Sivumäärä: 68 + 2 liitettä Työn valvoja: Työn ohjaaja: Kauppatiet. lis. Pekka Nokso-Koivisto Toimitusjohtaja Olle Sirén Keliber Oy Tämän opinnäytetyön tarkoituksena oli selvittää Keliber Resources Ltd Oy:lle maailman autoteollisuudessa toimivat litiumakkuvalmistajat ja akuissa käytettävät kemikaalit. Tutkimuksen kannalta sopivia yrityksiä etsittiin tietoverkkojen ja sähköpostikyselyn avulla. Työn teoreettisessa viitekehyksessä käsitellään autoteollisuuden muutokseen johtaneita syitä, kuten öljyn hinnan kohoamista ja ilmastonmuutokseen johtaneita syitä sekä tulevaisuuden vihreitä arvoja korostavia tekniikoita autoteollisuudessa. Lisäksi kerrotaan itse litiumista ja litiumakkujen toimintaperiaatteista. Tutkimus paljasti, että polttokenno- ja sähköautot tulevat syrjäyttämään hybridiautosovelluksen tulevaisuuden autoteollisuudessa. Akkuvalmistajien mukaan tulevaisuuden autosovelluksissa litium ja vety tulevat olemaan avainasemassa. Litiumakuissa käytettävistä kemikaaleista yleisimpiä olivat litiumnikkelikobolttialumiinioksidi (LiNiCoAlO2), litiumnikkelikobolttimangaanioksidi (LiNiCoNmO2), litiummangaanioksidi (LiMn2O4) ja litiumrautafosfaatti (LiFePO4). Avainsanat: litium, akkuvalmistajat, autoteollisuus, ilmastonmuutos, öljy

CENTRAL OSTROBOTHNIA UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES ABSTRACT Degree Programme for Automation Engineering Authors: Name of thesis: Anna Hintsala & Marke Paavola Lithium Battery Chemicals in Car Industry Date: 28.4.2008 Pages: 68 + 2 Supervisor: Instructor: Pekka Nokso-Koivisto Olle Sirén, Keliber Ltd The aim of this Bachelor s thesis was to find the lithium battery manufacturers in the world and to find out which chemicals are used in their batteries. Battery manufacturers were searched from the Internet and reached by email. The theoretical section introduces theories used in this research. The theories deal with the reasons which have forced the car industry into big changes, such as oil price and climate change, and also the techniques, which emphasize green values. The theoretical section also introduces the lithium chemical and the techniques which are used in lithium battery technology. This research shows that fuel cell- and electric cars will be in a leading role in car industry in the future. According to the battery manufacturers, lithium and hydrogen are the two main sources for fuel cell and EV - applications. The most common chemicals which were used in lithium battery were lithiumnickelcobaltaluminiumoxide (LiNiCoAlO2), lithiumnickelcobaltmanganeseoxide (LiNiCoNmO2), lithiummanganeseoxide (LiMn2O4) and lithiumironphosphate (LiFePO4). Keywords: Lithium, battery manufacturers, car industry, climate change, oil

SISÄLTÖ 1 JOHDANTO 1 2 KELIBER OY 3 3 ILMASTONMUUTOKSEN VAIKUTUKSISTA ÖLJYN HINNAN KEHITYKSEEN 7 3.1 Yleistä ilmastonmuutoksesta 7 3.1.2 Ilmastonmuutoksen havaitut vaikutukset 9 3.1.3 Ilmastonmuutoksen ennustetut vaikutukset 11 3.1.4 Ilmastonmuutoksen rajoittaminen 12 3.2 Öljyn hinnan kehitys 15 3.2.1 Energian kulutuksen kehitys 15 3.2.2 Polttoainevarojen luokittelu 16 3.2.3 Öljyn tuotanto 17 3.2.4 Öljyn hintaan vaikuttavia tekijöitä 21 3.2.5 Tulevaisuuden näkymät 23 4 AUTOTEOLLISUUDEN KÄYTTÄMÄT TEKNIIKAT 25 4.1 Eri tekniikat 25 4.1.1 Hybridiauto 25 4.1.2 Sähköauto 30 4.1.3 Polttokenno 31 4.2 Polttoainevaihtoehdot 34 4.2.1 Maakaasu 34 4.2.2 Vety 36 4.2.3 Etanoli 37 4.2.4 Nestekaasu 38 5 LITIUM 39 5.1 Litiumin lähteet 39 5.2 Litiumin käyttö 41 5.3 Litiumin sivutuotteet 42 5.4 Litiumakut ja niiden toiminta 43 5.4.1 Toimintaperiaate 44 5.4.2 Litium-ioniakku 47 5.4.3 Litium-polymeeriakku 48

6 KVALITATIIVINEN TUTKIMUS 49 6.1 Yleistä 49 6.2 Soveltuvuus 49 6.3 Aineiston hankkimisen keskeiset välineet 50 6.4 Laadullisen tutkimuksen ominaispiirteitä 50 6.4.1 Hypoteesittomuus 50 6.4.2 Suhde teoriaan 51 6.4.3 Aineiston kerääminen ja analyysi 51 6.5 Raportointi 52 7 TUTKIMUKSEN TOTEUTUS 53 7.1 Tutkimuksen tarkoitus 53 7.2 Tutkimusmenetelmä 53 7.3 Tutkimusongelma 54 8 TUTKIMUKSEN TULOKSET 55 8.1 Tietoverkkojen kautta saadut tulokset 55 8.2 Sähköpostikyselyn kautta saadut tulokset 57 8.2.1 Litium akkukemikaalit 58 8.2.2 Muut akkukemikaalit 58 8.2.3 Polttokenno 59 9 JOHTOPÄÄTÖKSET 61 LÄHTEET 63 LIITTEET LIITE1. Akkukemikaalit LIITE2. Sähköpostikysely

KÄYTETYT LYHENTEET NCA NMC LMO LNO LFPO LCO LTO EV HEV PHEV Ni-MH MSDS LCE IPCC Litiumnikkelikobolttialumiinioksidi Nikkelimangaanikoboltti Litiummangaanioksidi Litiumnikkelioksidi Litiumrautafosfaatti Litiumkobolttioksidi Litiumtitaanispinelli Electric Vehicle eli sähköajoneuvo Hybrid Electric Vehicle eli hybridiajoneuvo Plug-in Hybrid Electric Vehicle eli Plug-in-hybridiajoneuvo Nikkelimetallihybridiakku Material Safety Data Sheet eli kuljetusta varten tarvittava käyttöturvatiedote Lithium Carbonate Equivalent eli litiumin kaupassa käytettävä suure International Panel on Climate Change eli hallitustenvälinen ilmastonmuutospaneeli

1 1 JOHDANTO Maailman energian kulutus kasvaa jatkuvasti, ja energiakysymykset ovat nousseet avainasemaan myös kansainvälisessä politiikassa. Myös erinäiset tiedeyhteisöt pyrkivät omalta osaltaan ratkaisemaan näitä koko maailman väestön, ympäristön, talouden ja sosiaalisten olosuhteiden kannalta tärkeitä kysymyksiä. Ilmastossa tapahtuvat muutokset ja etenkin hiilidioksidipäästöjen lisääntyminen ilmakehässä ovat ajaneet autoteollisuuden suurten muutosten eteen. Autoteollisuudessa pyritään kehittämään uusia ratkaisuja hiilidioksidipäästöjen rajoittamiseksi muun muassa hybridi- ja sähköautojen muodossa. Nämä autot tarvitsevat uutta tehokasta akkutekniikkaa, jossa käytetään litiumia akkumateriaalina, koska painoon suhteutettuna litiumakun ominaisuudet ovat hyvät. Litium on hyvä akkukemikaali, koska sen nimellisjännite on muihin akkutyyppeihin verrattuna huomattavasti korkeampi eli 3,6 V. Kapasiteetiltaan litiumia sisältävä ioniakku pystyy tuottamaan kaksi kertaa enemmän sähköä kuin esimerkiksi nikkelimetallihybridiakku. Myös se, että litium on kevein kaikista metalleista, antaa sille hyvän etulyöntiaseman akkumateriaalina. Keliber Oy:n vaiheita on voitu seurata eri lehdistä ja sähköisistä medioista. Yrityksen suunnitelmat ovat herättäneet kiinnostusta maailmanlaajuisesti. Alueellisesti Keliber Oy:n toiminta tulee työllistämään tulevaisuudessa huomattavan määrän kaivosalan ammattilaisia. Keliber Oy kouluttaa yhteistyössä Keski-Pohjanmaan aikuisopiston kanssa tulevia alan ammattilaisia. Keski-Pohjanmaalta on löydetty yli 500 km 2 :n suuruinen litiumalue, joka jakautuu Ullavan, Kaustisen ja Alavetelin haja-alueille. Kaivosyhtiö Keliber aloittaa litiumkemikaalien tuotannon Ullavan Läntän esiintymästä vuoden 2011 aikana. Ullavan

2 Läntän esiintymän arvioidaan riittävän ainakin seuraavat 15 vuotta. Ratkaiseva askel tuotannon aloittamiselle tehtiin, kun norjalainen kaivosyhtiö Nordic Mining ilmoitti ostavansa 68 % Keliberin osakekannasta. Keliberin tuotantolaitoksen rakentaminen aloitetaan syksyn 2008 aikana Kaustiselle entisen kaatopaikan kupeeseen, Toholammintien varteen. Nyt onkin tärkeää selvittää yrityksen toiminnan kannalta, mitä litiumkemikaaleja tulevaisuuden akuissa tullaan käyttämään. Opinnäytetyön tarkoituksena on selvittää Keliber Oy:lle maailman autoteollisuudessa toimivat litiumakkuvalmistajat ja akuissa käytettävät kemikaalit. Tutkimuksen kannalta sopivia yrityksiä etsitään tietoverkkojen ja sähköpostikyselyn avulla. Keliberin toiveena on myös, että Keski-Pohjanmaan ammattikorkeakoulun opiskelijat tulisivat jatkossakin tekemään lisäselvityksiä opinnäytetöinä. Tämä opinnäytetyö toimisi tulevien selvitysten pohjana. Maailmassa on lähes 400 yritystä, jotka käyttävät litiumia akkujen valmistuksessa. Suurin osa näistä yrityksistä valmistaa kuitenkin paristoja ainoastaan kulutuselektroniikan sekä sotilas-, laivasto- ja öljyteollisuuden eri sovelluksiin. Käytännön ongelmaksi muodostui juuri autoteollisuuteen akkuja valmistavien yrityksien löytäminen tästä suuresta valmistajien joukosta.

3 2 KELIBER OY Keliber Oy on Kaustisella, Keski-Pohjanmaalla, toimiva kaivosyhtiö. Yhtiö perustettiin vuonna 2001 tutkimus- ja kehitystyönä, ja vuonna 2006 siitä tuli kaivosyhtiö. (Keliber 2007b.) Keliber (kuvio 1) rakentaa Kaustisen Kalavedelle litiumkarbonaatin tuotantolaitoksen. Tuotantolaitoksen teknologia on kehitetty yhteistyönä Outotech Oyj:n kanssa. Yhtiön aikataulun mukaan litiumkarbonaatin (Li2CO3) tuotanto aloitetaan vuonna 2010, ensimmäisenä Euroopassa. (Aho 2008a.) KUVIO 1. Keliber Oy:n tuotantolaitos valmistuu Kaustiselle, Keski-Pohjanmaalle (Nordic Mining 2008a.) Keliber Oy:llä on kaivosoikeudet kolmeen eri litiumesiintymään. Litiumesiintymiä (kuvio 2) löytyy muun muassa Ullavasta, Alavetelistä sekä Kaustiselta, mutta Keliber keskittyy aluksi Ullavan Läntän litiumkaivokseen ja sen spodumeeniesiinty-

4 mään. Arvion mukaan spodumeeniesiintymä on kooltaan kolme miljoona tonnia ja sen litiumoksidi-pitoisuus on 0,92 %. (Aho 2008b.) KUVIO 2. Louhinta aloitetaan Ullavan Läntän kaivoksella (Nordic Mining 2008a.) Tammikuussa 2008 norjalainen kaivosyhtiö Nordic Mining ilmoitti ostavansa 68 % Keliber Oy:n osakkeista (NOM 2008). Nordic Mining erottautui omaksi yhtiöksi Rocksource ASA:sta toukokuussa 2006, ja sen päätoiminta keskittyy high-tech teollisuusmineraalien ja metallien tutkimukseen ja tuotantoon. (Nordic Mining 2008b.) Keliberin tuotantolaitoksen viereen valmistuu Lassila & Tikanoja Oyj:n biokaasulaitos (kuvio 3), jolta Keliber saa tarvitsemansa energian ja hiilidioksidin tuotantoprosessissaan hyödynnettäväksi (NOM 2008).

5 KUVIO 3. Keliber Oy:n tuotantolaitos (vas.) ja Lassila & Tikanoja Oyj:n biokaasulaitos (oik.) (Nordic Mining 2008a.) Tuotantoprosessi Keliber Oy käyttää kehittyneintä ja tehokkainta BAT-tekniikkaa tuotantoprosessissaan. BAT-tekniikka on teknisesti, taloudellisesti ja ympäristöystävällisesti käyttökelpoisin tekniikka. Tuotantoprosessi on suunniteltu varta vasten Keski- Pohjanmaan litiumesiintymille, ja on myös ainoa prosessi, jossa raaka-aine kulkee lyhyimmän tien kaupalliseksi tuotteeksi. (Keliber 2007c.) Keliber Oy:n tuotantoprosessissa (kuvio 4) on useita eri tuotantovaiheita. Päävaiheita ovat louhinta, murskaus, jauhatus, rikastus, kiderakenteen muutos sekä liuotus. Ensimmäinen vaihe on louhinta. Louhinnan jälkeen malmikivi murskataan ja siitä erotetaan murskeet ja sepelit. Tuotantolaitoksessa malmikivestä rikastetaan spodumeeni magneettisessa esirikastuksessa, jolloin siitä erotetaan vielä hieno

6 sepeli. Esirikastusta seuraa jauhatus ja vaahdotus. Vaahdotuksessa malmikivestä erotetaan spodumeeni ja kvartsimaasälpäseos toisistaan. (Keliber 2007c.) Koko rikastusprosessin jälkeen jäljellä olevan spodumeenirikasteen kiderakenne muutetaan konvertointilaitoksella 1000 C:een lämpötilassa. Kiderakenteenmuutosta seuraa liuotusvaihe. Liukoinen beta-spodumeeni sisältää litiumia, ja liuottamalla litiumia paineliuotuksessa saadaan litiumkarbonaattia (Li2CO3) eli päätuotetta. Litiumkarbonaatti puhdistetaan vielä vetykarbonoinnissa ja ioninvaihdossa. Tässä prosessin vaiheessa käytetään hyväksi Lassila & Tikanoja Oyj:n biokaasulaitokselta saatavaa hiilidioksidia. (Keliber 2007c.) KUVIO 4. Keliber Oy:n tuotantoprosessi (Keliber 2007c; Nordic Mining 2008a.)

7 3 ILMASTONMUUTOKSEN VAIKUTUKSISTA ÖLJYN HINNAN KEHITYK- SEEN 3.1 Yleistä ilmastonmuutoksesta Ilmastonmuutoksen ympäristövaikutukset ovat suuret: maapallon ilmasto lämpenee, merenpinta nousee ja napajäätiköt sulavat. Ilmaston lämpenemiseen vaikuttaa kasvihuonekaasupitoisuuksien lisääntyminen ilmakehässä. Kasvihuonekaasuja pääsee ilmakehään fossiilisten polttoaineiden palaessa. (Rissa 2003.) Ihminen vaikuttaa toiminnallaan kasvihuonekaasupitoisuuksien kasvamiseen ilmakehässä. Hiilidioksidi (CO2), metaani (CH4) ja typpidioksidi (N2O) ovat yleisimpiä kasvihuonekaasuja, joiden pitoisuuksiin ihminen pystyy vaikuttamaan. Kasvihuonekaasut estävät auringosta tulevan lämpöenergian pääsemistä takaisin avaruuteen (Kuvio 5). Eniten ilmaston lämpenemiseen vaikuttaa hiilidioksidi, jota pääsee ilmakehään liikenteestä, energian tuotannosta ja rakentamisesta. (VTT 2004, 137 138.) USA:ssa tehdyn tutkimuksen mukaan puolet USA:n väestöstä ajaa alle 40 kilometriä päivittäin ja 80 % väestöstä 80 kilometriä tai vähemmän. Ainoastaan 5 % USA:n väestöstä ajaa yli 160 kilometriä päivässä. (Hybrid Consortium 2008.) Maailmassa on tällä hetkellä noin 875 miljoonaa autoa, ja kasvua on luvassa. Arvion mukaan vuoteen 2030 mennessä autojen määrä kaksinkertaistuu, mikä aiheuttaa hiilidioksidipäästöjen kasvamista ilmakehässä. Tällä hetkellä hiilidioksidipäästöistä 18 % aiheutuu tieliikenteestä. (Eskola 2008a.) Hiilidioksidipitoisuus ilmakehässä on korkeimmillaan 650000 vuoteen. (IPCC 2007.) Autonvalmistajat ovat alkaneet kehittää uusia tekniikoita, joilla saataisiin hiilidioksidipäästöt kuriin (Eskola 2008a).

8 KUVIO 5. Kasvihuoneilmiö (The National Land and Water Information Service 2006.) Kuviossa 6 a-kohdassa näkyy ihmisen aiheuttamien kasvihuonepäästöjen vuosittainen kasvu vuosina 1970 2004. Hiilidioksidipäästöt (CO2) fossiilisista polttoaineista ovat kasvaneet noin 80 % tuona ajanjaksona. B-kohdassa ihmisten aiheuttamien kasvihuonekaasupäästöjen määrää verrataan muihin lähteisiin. Fossiilisten polttoaineiden käytöstä on aiheutunut 56,6 % päästöistä. C-kohdassa eritellään kasvihuonekaasupäästöjen lähteitä ja niiden osuutta hiilidioksidipäästöihin, joista kuljetusten osuus on 13,1 %.(IPCC 2007.)

9 KUVIO 6. Maailmanlaajuiset ihmisten aiheuttamat kasvihuonekaasupäästöt (IPCC 2007.) Ilmastonmuutos koskettaa eniten niitä ihmisiä, jotka saastuttavat ilmakehää vähinten. Kaikki muutoksen aiheuttamat syyt ovat maailmanlaajuisia, ja niiden vaikutukset ovat pitkäaikaisia ja pysyviä. Taloudellisten seurauksien epävarmuus ja riskit leviävät kaikkialle. (Stern 2006, 25.) 3.1.2 Ilmastonmuutoksen havaitut vaikutukset Viimeisen sadan vuoden aikana (1905 2006)(kuvio 7) maanpinnan lämpötila on noussut 0,74 C. Lämpenemisen vaikutuksesta merenpinta on noussut vuodesta 1961 keskimäärin 1,8 mm/vuodessa ja vuodesta 1993 keskimäärin 3,1 mm/vuodessa. Satelliittien avulla on saatu jo vuodesta 1978 lähtien tietoa merijään tilanteesta. Merijään pinta on laskenut 2,7 % vuosikymmenen aikana, suurimmillaan kesäisin jopa 7,4 % vuosikymmenen aikana. Pohjoisella pallonpuoliskolla myös lumipeitteen paksuus on laskenut (kuvio 7). (IPCC 2007.) Tilastojen mukaan kaikkein lämpimimmät 10 vuotta on vietetty vuoden 1990 jälkeen (Stern 2006, 7).

10 Vuosien 1900 ja 2005 välillä sademäärät ovat lisääntyneet Pohjois- ja Etelä Amerikan itäosissa ja vähentyneet Etelä-Afrikassa, Välimerellä, Länsi-Afrikassa sekä joissain Etelä-Aasian maanosissa. Viimeisten 50 vuoden aikana kylmät päivät ja yöt ovat vähentyneet, kun taas kuumat päivät ja yöt ovat yleistyneet. (IPCC 2007, 1.) Ilmastonmuutoksella on ollut vaikutusta myös fyysisiin ja biologisiin systeemeihin. Monet lajit ovat muuttaneet viimeisten 30 40 vuoden aikana keskimäärin 6 kilometriä napapiiriä kohti. Myös muniminen ja kasvien kukinta-ajat ovat aikaistuneet 2 3 päivää jokaisen vuosikymmenen aikana. (Stern 2006, 7) KUVIO 7. Havaitut muutokset lämpötilassa, merenpinnan tasossa sekä pohjoisen pallonpuoliskon lumipeitteessä (IPCC 2007.)

11 3.1.3 Ilmastonmuutoksen ennustetut vaikutukset Ilmastonmuutos vaikuttaa alueellisesti eri tavalla (Stern 2006). Ilmastonmuutos on vahvasti kytköksissä kasvihuonekaasupäästöihin. Sen vaikutuksista lämpötilan nousuun ja merenpinnan kohoamiseen on tehty erilaisia skenaarioita, jotka on laadittu vuosien 1980 1999 keskiarvoon verrattuna. Päästöskenaarioiden mukaan kasvihuonekaasujen ennustetaan nousevan maailmanlaajuisesti vuosien 2000 ja 2030 välillä 25 90 %. Näiden skenaarioiden mukaan myös lämpötila tulee nousemaan 1,1 6,4 C ja merenpinta 0,18 0,59 metriä 2000-luvun loppupuolella. (IPCC 2007.) Jos vuosittaiset päästöt pysyvät nykyisellä tasollaan, kasvihuonekaasupäästöt ovat lähellä kaksinkertaistaa esiteollisen ajan tasot vuosituhannen puoleen väliin mennessä. Jos tämä pitoisuus säilyy, lämpötilojen ennustetaan nousevan lopulta 2 5 C tai jopa enemmän. Ennusteet tulevaisuuden lämpenemisestä riippuvat maailmanlaajuisten päästöjen tasosta. (Stern 2006, 15.) Kuviossa 8 kuvataan eri maaryhmien osuutta hiilidioksidipäästöihin. Vuonna 1990 OECD-maiden osuus on ollut suurin. Arvion mukaan se säilyy suurimpana osuutena, mutta kehitysmaiden sekä Itä- ja Keski-Euroopan maiden osuudet kasvavat. (HPL 2008.) KUVIO 8. Eri maaryhmien osuudet hiilidioksidipäästöistä. (HPL 2008.)

12 Vuosituhannen puoleen väliin mennessä vesien valuman ja veden saatavuuden ennustetaan kasvavan napa-alueilla sekä joillakin trooppisilla alueilla, kun taas kääntöpiirien kuivilla alueilla niiden ennustetaan huononevan. Rannikkoalueilla tulvien ja myrskyjen riski kasvaa, mitä enemmän lämpötila nousee. Ekosysteemit kärsivät, jos lämpötila nousee yli 2 C. Jopa 30 % eläinlajeista tulee uhanalaiseksi. (IPCC 2007.) Asiantuntijoiden mukaan ilmastonmuutos uhkaa miljoonien ihmisten oikeuksia, ja nämä saattavat menettää asunnon, ruoan ja puhtaan veden, elleivät hallitukset puutu ajoissa sen seurauksiin. Michelle Leightonin ( Director, Human Rights Programs, San Francisco law school ) kertoo, että ilmastonmuutoksen painostus saattaa ajaa siirtolaisiksi haluavia rikollisen kynsiin. Hänen mukaansa useat ihmiset Malilla, Somaliassa ja Cape Verdessä joutuvat muutamien vuosien päästä jättämään kotinsa ja moni saattaa aloittaa ihmisten salakuljettamisen menestyvimpiin maihin, esimerkiksi Eurooppaan. Ilmastonmuutoksen paineet muutetaan liiketoiminnaksi. Ihmisten terveys kohtaa myös riskejä ilmastonmuutoksen takia. Lämpötilan nousu lisää aliravitsemusta, ripulia ja infektiosairauksia. Helleaallot, tulvat sekä kuivuudet lisäävät sairastuvuutta sekä kuolleisuutta. (MacInnis 2008.) Ruoan saatavuus paranee hieman napapiirin läheisyydessä, jos lämpötila nousee vain muutaman asteen. Jos lämpötila nousee yli 3 C, ruoan saatavuus huononee. Päiväntasaajan läheisyydessä pienikin lämpötilan nousu heikentää ruoan saatavuutta ja lisää nälänhätää. (IPCC 2007.) 3.1.4 Ilmastonmuutoksen rajoittaminen Ilmastonmuutoksen rajoittamiseksi on solmittu YK:n ilmastosopimus vuonna 1992 (United Nations Framework Convention Climate Change, UNFCC) ja tehty Kioton pöytäkirja, joka astui voimaan 16.2.2005. Kioton pöytäkirja täydentää YK:n ilmas-

13 tosopimusta. UNFCC ja Kioton pöytäkirja sisältävät toiminnan tavoitteet ja periaatteet, joilla pyritään vähentämään kasvihuonekaasuja ilmakehässä. (VTT 2004, 148 149.) Eri maille luotiin omat tavoiteprosentit niiden talouden tilan sekä energiajärjestelmän olosuhteiden perusteella, esimerkiksi Euroopan päästötavoite on 8 %, Japanin 6% ja Islannin +10 %. Pöytäkirjan mukaan teollisuusmaiden on vähennettävä 5 % hiilidioksidin, metaanin, dityppioksidin, fluorihiilivetyjen, perfluorivetyjen ja rikkiheksafluoridin pitoisuuksia ilmakehässä vuosina 2008 2012. (VTT 2004, 148 149.) Kioton pöytäkirja on astunut voimaan 16.2.2005, ja siinä on tällä hetkellä mukana 36 teollisuusmaata (Euroopan komissio 2008b). Taulukossa 1 on eritelty sektoreittain ilmastonmuutosta lieventäviä tekniikoita. Ensimmäisessä sarakkeessa kuvataan tekniikoita, jotka ovat jo käytössä ilmastonmuutoksen lieventämiseksi ja toisessa sarakkeessa tekniikoita, joita otetaan vielä käyttöön ennen vuotta 2030. (IPCC 2007.)

14 TAULUKKO 1. Eri sektoreilla käytössä olevia sekä vuoteen 2030 mennessä käyttöön otettavia lieventäviä tekniikoita kasvihuonekaasupäästöjen rajoittamiseksi (IPCC 2007.) Käytössä olevia lieventäviä Ennen vuotta 2030 käyttöön tekniikoita otettavia lieventäviä tekniikoita Energian Tuotannon ja jakelun tehostaminen Kehittynyt ydinvoima tuotanto Kivihiilen vaihtaminen maakaasuun Yhdistetty lämmön- ja sähköntuotanto Ydinvoima Liikenne Hybridiautot Toisen sukupolven biopolttoaineet Puhtaammat dieselautot Lentoliikenteen tehostaminen Biopolttoaineet Hybridi- ja sähköautot Autojen polttoainetehokkuuden parantaminen Joukkoliikenteen kehittäminen Rakennukset Tehokkaammat sähkö-, lämmitys- ja Rakennusten kokonaisvaltainen ilmastointijärjestelmät suunnittelu Auringon hyödyntäminen lämmityksessä Aurinkopaneelin käyttöönotto ja jäähdytyksessä Vaihtoehtoiset jäähdytyskaasut Teollisuus Energiaa säästävät laitteet Energiartehokkuuden parantaminen Lämmön ja sähkön talteenotto Hiilen talteenottaminen ja varastointi Materiaalien kierrätys Hiilidioksidipäästöjen kontrolloiminen Maatalous Riisinviljelyn metaanipäästöjen Viljasatojen parantaminen vähentäminen Dityppioksidipäästöjen vähentäminen parannetuilla lannoitusmenetelmillä Fossiilisten polttoaineiden korvaaminen energiakasveilla Metsätalous Metsänhoito Biomassan tuotannon lisääminen Metsien vähentämisen estäminen Puutuotteiden käyttö Jätehuolto Metaanipäästöjen talteenotto Metaanin hapetuksen kaatopaikoilla optimointi biopeitteillä ja biofilttereillä. Biojätteen kompostointi Jätevesien käsittely Kierrätys ja jätteiden synnyn minimointi

15 3.2 Öljyn hinnan kehitys 3.2.1 Energian kulutuksen kehitys Maailmassa kulutetaan energiaa koko ajan kasvavaa vauhtia ja energiakysymysten painoarvo on kasvanut merkittävästi kansainvälisessä politiikassa. Eri kansainvälisillä foorumeilla otetaan kantaa ilmastonmuutoksen edellyttämiin toimiin ja energialähteiden valintaan liittyviin kysymyksiin. Samalla niin tiedeyhteisö kuin erilliset muut sektoritkin pyrkivät osaltaan ratkaisemaan näitä koko maailman väestön, ympäristön, talouden ja sosiaalisten olosuhteiden kannalta tärkeitä kysymyksiä. (Fyhr 2007, 32.) Tämän kaltaista elämän menoa jatkamalla energian kysyntä maailmassa kasvaa yli 50 % vuoteen 2030 mennessä (kuvio 9). Kasvava energiantarve johtuu paitsi kasvavista talouksista, myös kasvavasta väestöstä. Yli 70 % tästä kasvusta tulee pääosin Kiinasta ja Intiasta, jotka ovat voimakkaasti kehittyviä maita. Näiden maiden nopea väestön kasvu ja lisääntyvä energian tarve johtavat energian kysynnän maantieteelliseen siirtymään, sillä kehittyvien maiden oma energian tuotanto ei pysty vastaamaan kehittyvissä maissa tarvittavaan energian tarpeeseen. (Fyhr 2007, 32 33.)

16 KUVIO 9. Maailman energiankulutus vuosina 1990 2050 (Pirilä, Anttila & Helynen 2004, 364.) 3.2.2 Polttoainevarojen luokittelu Öljyvaroista riittävyydestä keskusteltaessa puhutaan usein käsitteistä resurssit ja reservit. Näitä kahta käsitettä ei pitäisi sekoittaa keskenään. Resursseista eli kokonaisvarannoista puhuttaessa tarkoitetaan maankuoressa olevaa öljyä riippumatta siitä, onko sitä vielä laisinkaan löydetty. Reserveillä eli tunnetuilla varoilla tarkoitetaan taas varantoja, jotka ovat heti käytössä, jos niin halutaan. Öljyn resursseista kehittyy reservejä ajan kuluessa, kun käytön edellytykset tulevat täytetyiksi. Konventionaalisiin öljyvaroihin lasketaan tunnetut varat ja arvio vielä löydettävissä olevista varoista. Ei-konventionaalinen öljy on hyvin raskasta raakaöljyä tai bitumia, jota on nykytekniikalla vaikea saada hyödynnettyä. Kuviossa 10 on U.S. Geological Surveyn (USGS) tietoihin pohjautuva luokittelu vuodelta 2000 resurssiarvioineen. Kuvasta on nähtävissä, että vuoden 2000 loppuun mennessä tunnetuista öljyvaroista oli käytetty 900 miljardia tynnyriä. Konventionaalisista öljyvaroista tunnettiin vuonna 2004 arviolta 1050 miljardia tynnyriä ja saman verran arvioitiin vielä löytyvän. Ei-konventionaalista öljyvaroista tuotantokelpoisia oli 900 miljar-

17 dia tynnyriä ja muita ei-konventionaalisia varoja 2800 miljardia tynnyriä. Kokonaisarviota voidaan pitää melko tarkkana ottaen huomioon nykyteknologia. (Pirilä ym. 2004, 100 101.) KUVIO 10. Maankuoren öljyvarat jaoteltuina toteutuneen käytön ja käyttöönottovalmiuden mukaan (luvut ilmoittavat varat miljardeina tynnyreinä) (Pirilä ym. 2004, 100.) 3.2.3 Öljyn tuotanto Öljyn asema maailmassa on aina ollut tärkeä. Kaikki ovat riippuvaisia öljystä ja sen maailmanmarkkinahinnasta tavalla tai toisella. Tämä musta kulta uusiutumattomana luonnonvarana käy kuitenkin jatkuvasti niukemmaksi ja kalliimmaksi. (Wrange, 2005, 97.) Viimeisen 60 vuoden aikana on tultu huomaamatta lähes riippuvaiseksi öljystä. Öljyn edullisuus ja tämän käyttökelpoisen energialähteen hyödyntämisen lisääminen ovat pitkälti olleet nykyisen talouskasvun ja hyvinvoinnin perustana. (Hoffrén 2007, 35.)

18 Nyt kun maailma on öljytuotannon hiipumisen edessä, se uhkaakin iskeä länsimaisten teollisten yhteiskuntien ja talouksien perusteisiin, koska ollaan niin riippuvaisia siitä. Euroopan tärkein öljyntuotantoalue on Pohjanmeri. Siellä tapahtuva tuotanto on kääntynyt jo laskuun, ja tuotantomäärien merkityksen oletetaan olevan vähäinen vuoden 2020 jälkeen. (Pirilä ym. 2004, 105.) Pahimpien ennusteiden mukaan edessä on maatalouden tuotannon romahtaminen, elintarvikkeiden tarjonnan supistuminen ja jopa nälänhätä. Vuonna 2005 laadittu raportti Yhdysvaltain energiaministeriölle kertoo, että kyseessä tulee olemaan ennen näkemätön riskienhallintaongelma, jollaista eivät modernit yhteiskuntamme ole vielä kohdanneet. (Hoffrén 2007, 35.) Arviot öljyn tuotannonhuipusta vaihtelevat. Öljyntuotannon huippukohdan saavuttamisen ajankohdasta ei ole tarkkaa ja yksimielistä näkemystä. Tämä johtuu pitkälti tilastollisen tietopohjan heikkouksista. Varmasti huippuvuosi tiedetään vasta jälkikäteen, kun öljyntuotanto alkaa jo vähentyä. Ns. Hubbertin teorian mukaan (kuvio 11.) öljyn tuotantohuippu saavutetaan, kun 50 % maailman öljyvarannoista on hyödynnetty. Viimeiset 50 % öljystä on vaikea tuottaa, kun öljy pitää nostaa teknisin apuvälinein maanpinnalle. Tapahtuu tuotannon määrän vakiintumista ja sitten lasku, koska alkuperäistä tuotantovauhtia ei pystytä pitämään yllä. Tuotantohuipun jälkeen myös tuotantokustannukset öljyn nostamisesta alkavat nousta jyrkästi. Toinen tärkeä käännekohta on, kun energiaa kuluu enemmän öljyn tuottamiseen kuin mitä tuotetusta öljystä saadaan, jolloin öljykenttä hylätään kannattamattomana. (Hoffrén 2007, 35.)

19 KUVIO 11. Maailman öljynkulutus ja Hubbertin käyrä vuosina 1800 2200 (Hoffrén 2006, 6.) Hubbert ennusti, että öljyntuotannon huippu tapahtuu vuonna 2000 ja kääntyy sen jälkeen laskuun. Epävarmuuden hänen laskelmiinsa kuitenkin toi maailman öljyvarantojen koon arviointi. Hubbertin käyrä on toiminut hyvin aina 1970-luvun ensimmäiseen öljykriisiin saakka. Öljykriisistä seurannut öljyn tuotannon lasku on johtanut tuotantohuipun viivästymiseen ja tasaantumiseen. (Hoffrén 2007, 35 36.) Hubbertin lisäksi monet muutkin alan tutkijat ennustavat öljyntuotannon huipun olevan käsillä jo ennen vuotta 2010. Ennusteen tiedetään olevan lähellä oikeaa, koska Yhdysvaltojen Energy Information Adminisitrationin (EIA) ennusteen mukaan maailman öljynkysyntä nousee nykyisestä 84 miljoonasta tynnyristä 118 miljoonaan tynnyriin päivässä vuoteen 2030 mennessä. Jo nyt maailma kuluttaa öljyä yli kolme kertaa enemmän kuin uusia öljykenttiä löydetään. 48 öljyntuottajamaasta 33:ssa tuotanto on jo kääntynyt laskuvoittoiseksi, joten tuotantohuippu olisi jo käsillä. (Hoffrén 2007, 36 37.) Nykyisin käynnissä oleva öljyn kulutus ja sen kas-

20 vutrendi tuo vääjäämättä eteemme ongelman kysynnän ja tarjonnan tasapainosta (kuvio 12) (Pirilä ym. 2004, 103). KUVIO 12. Maailman öljylöydöt ja öljyn tuotanto 1904 2005 sekä ennustetut trendit (Hoffrén 2006, 9.) Öljyn saatavuus ja sen tuotantomahdollisuudet tulevat rajoittamaan tarjontaa muutaman vuosikymmenen kuluttua. Päädytään kuvion 13 mukaiseen kehitykseen, jossa maksimi ajoittuu vuodelle 2030 ja kulutuksen kasvu alkaa hidastua muutamaa vuotta aiemmin. On siis varauduttava siihen, että öljyä ei pysytä tuottamaan kysyntää vastaavasti edes 20 vuotta, vaikka todennäköisempää onkin, että tähän tilanteeseen joudutaan 25 35 vuoden kuluttua. Öljyn hintatasoon tämä tulee vaikuttamaan jo useita vuosia aikaisemmin. Öljyn riittävyys ei kuitenkaan ole ainoa ongelma. Tilannetta saattaa vaikeuttaa varojen keskittyminen entistä harvempiin maihin kuten Lähi-idän suurimmille tuottajille Saudi-Arabialle, Irakille, Iranille ja Kuwaitille. (Pirilä ym. 2004, 103.)

21 60 50 Huippu vuonna 2030 40 30 20 2 %/v kasvu ennen huippua 5 %/v lasku huipun jälkeen 10 Historia 0 1900 1925 1950 1975 2000 2025 2050 2075 2100 2125 KUVIO 13. Konventionaalisen raakaöljyn pelkistetty käyttöskenaario (miljardia tynnyriä vuodessa) (Pirilä 2002.) 3.2.4 Öljyn hintaan vaikuttavia tekijöitä Fossiilisten polttoaineiden hintoja seurataan maailmalla tarkasti ehkä juuri siksi, että talouden alamäillä ja öljyn hintapiikeillä on havaittu aikojen kuluessa olevan yhteys aivan samoin, kuin inflaatiolla ja öljyn korkeilla hinnoilla on havaittu olevan keskinäinen yhteys. Raakaöljyn maailmanmarkkinahintojen heilahdukset heijastuvat erityisen nopeasti valuuttanoteerauksiin ja erilaisiin taloudellisiin ennusteisiin. Tuotantokustannusten merkitys ei ole kovinkaan suuri ajatellen raakaöljyn hinnan vaihteluita. Suurimpia syitä hinnan vaihteluihin ovat olleet poliittiset ja taloudelliset kriisit sekä Opec-maiden päätökset. Esimerkkinä on Aasian talouskriisi, jolloin öljyn kysyntä heikkeni ja aiheutti menekkivaikeuksia Euroopan öljyteollisuudelle.

22 Vielä kun eteen sattui ennätyslämmin talvi, seurauksena oli öljyvarastojen kasvaminen ja öljyn hinnan lasku. (Taloudellinen tiedotustoimisto 2007.) Öljyllä on vakaa asema maailman energiantuotannossa, mutta raakaöljyn hintakehitystä on vaikea ennakoida. Uusia haasteita luovat kiristyvät laatuvaatimukset, joiden takia Eurooppa tarvitsee aiempaa puhtaampia polttoaineita, ja tämä taas tietää mittavia lisäinvestointeja monille öljyä tuottaville maille. (Haukkasalo 2004.) Kuviossa 14 on eritelty raakaöljyn maailmanhinnan kehitystä vuosina 1880 2006. Käyrästä on hyvin nähtävissä, kuinka maailman öljyn kulutus kasvoi aina ensimmäiseen öljykriisiin saakka 1973, ja vasta toisen öljykriisin jälkeen 1980-luvun alussa öljyn kulutus kääntyi muutamaksi vuodeksi laskuun, kun korvaavien energialähteiden myötä energiaa ryhdyttiin säästämään. 1990-luvun talouskasvun ja väestönkasvun myötä on öljyn kulutus noussut ennätyslukemiin aina näihin päiviin saakka. (Hoffrén 2006.) Helmikuussa 2008 öljyn hinta kävi kaikkien aikojen huipussaan New Yorkissa, kun öljytynnyrin hinta kävi 115,54 dollarissa (17.4.2008), mikä oli uusi ennätys. Öljyn hintaa nostivat dollarin kurssin lasku, tuotantohäiriöt ja jatkuva hyvä kysyntä sekä sijoittajien ostot. (STT 2008.) KUVIO 14. Raakaöljyn maailmanmarkkinahinnan kehitys 1880 2006 (Pirilä 2002.)

23 3.2.5 Tulevaisuudennäkymät International Energy Agency (IEA) julkaisee kerran vuodessa katsauksen maailman energiakysymyksistä ja niiden aiheuttamista tulevaisuuden näkymistä. Vuoden 2006 katsaus on arvio yleisestä energiatilanteesta. Katsaus tuo julki kaksi erilaista vuoteen 2030 tähtäävää tulevaisuuden skenaariota. Viiteskenaario eli business as usual -skenaario ottaa huomioon ne hallitusten politiikat ja toimet, jotka on hyväksytty vuoden 2006 puoliväliin mennessä. Vaihtoehtoskenaariossa keskitytään siihen, kuinka globaaliin energiaan liittyvät markkinat kehittyisivät, jos hallitukset toteuttaisivat kaikki hiilidioksidipäästöihin liittyvät poliittisiin toimenpiteisiin, joita ne tällä hetkellä harkitsevat. Näitä kahta skenaariota verrattaessa saadaan maailman energian kysyntä vuonna 2030 vaihtoehtoskenaariossa 10 % pienemmäksi kuin viiteskenaariossa. Erotus vastaa suurin piirtein Kiinan tämän hetkistä energian kulutusta, joten kyseessä on erittäin merkittävä ero. (Fyhr 2007, 32.) Riippuvuus tuontienergiasta kasvaa Aasian kehittyvissä maissa öljyn ja kaasun osalta nopeammin kuin maailman energian kysynnän kasvu keskimäärin. Tämä seikka tekee muun maailman energiatoimitukset haavoittuviksi ja lisää näin ollen hintakriisien mahdollisuuksia. Edellä mainitun viiteskenaarion mukaan maailma tulee Lähi-idän OPEC-maiden ja Venäjän öljyn tuotannosta yhä riippuvaisemmaksi. (Fyhr 2007, 33.) Poliittisilla toimenpiteillä voidaan eniten vaikuttaa Yhdysvalloissa, EU:ssa ja Kiinassa maailman energian kysyntään ja hiilidioksidipäästöihin. Saadaan aikaan energian säästöä ja hiilidioksidipäästöjen vähenemistä. Toimet ovat kustannustehokkaita, mutta vaadittavat investoinnit ovat kalliita. Toimet maksavat kuitenkin itsensä takaisin säästyneinä polttoainekustannuksina. (Fyhr 2007, 33.) Nähtäväksi jää, pystyykö yhteiskuntamme sopeutumaan muutokseen ja välttämään edessä olevat ongelmat. Uusia energialähteitä kehitellään jatkuvasti, mutta

24 niiden käyttöön liittyy useita ratkaisemattomia ongelmia. Öljylle on vaikea löytää hyvää ja selkeää korvaajaa. Siirtyminen pois öljystä tulee olemaan sitä helpompaa, mitä energiatehokkaammaksi yhteiskunta kehittyy. Öljyn tuotantohuipun lähestyessä tulisikin öljyn korvaavien uusiutuvien energialähteiden ja tekniikoiden kehittämiseen panostaa, jolloin siirtyminen uusiutuviin luonnonvaroihin tapahtuisi sujuvammin. (Hoffrén 2006, 17 18.)

25 4 AUTOTEOLLISUUDEN KÄYTTÄMÄT TEKNIIKAT 4.1 Eri tekniikat 4.1.1 Hybridiauto Hybridiauto-nimitystä käytetään autosta, joka käyttää useampaa erilaista voimanlähdettä. Hybridiautossa nämä voimanlähteet ovat yhdistettyjä sähkö- ja polttomoottoreita. Hybridissä sähkömoottori toimii jarrutuksissa generaattorina ja hyödyntää siten tallennetun sähköenergian auton kiihdytyksessä. Joissakin malleissa auton jarrutuksessa ladattua energiaa varataan kondensaattoreihin, joista se palautetaan kiihdytysvaiheessa auton liike-energiaksi. Hybridien jaottelu voidaan tehdä voimankulun mukaan. Valinta sarjahybridin ja rinnakkaishybridin välillä riippuu ajonopeuksista sekä kiihdytyksiä ja jarrutusten määrästä. Sarjahybridissä kaikki moottorin tuottama energia muutetaan sähkömoottoria käyttäväksi sähköksi. (Vaahtola 2007b.) Rinnakkaishybridi eli kevyt hybridi (kuvio 15) on rakenteeltaan yksinkertaisempi ajatellen sarjatuotantoa. Rinnakkaishybridissä voima siirtyy polttomoottorista mekaanisesti pyöriin ja sähkömoottori toimii siinä rinnalla. Sähkömoottori ei siis ole suoraan yhteydessä voimansiirtoon. Sähkömoottori antaa polttomoottorille lisätehoa korkean kuormituksen, kuten kiihdytyksen, aikana. (Nylund, Hulkkonen & Pyrrö 2006, 15 18.)

26 KUVIO 15. Kevyt hybridin kaaviokuva (Vaahtola 2007b.) Mikrohybridistä (kuvio 16) puhuttaessa on yksinkertaisimmassa muodossaan kyse pelkästä käynnistysautomatiikasta. Sen järjestelmä koostuu käynnistingeneraattorista, joka on hihnakäyttöinen, ja sitä ohjaavasta elektroniikkayksiköstä. Hieman yli 5 km/h olevassa nopeudessa moottori sammuu. Jalan noustessa jarrulta generaattori vaihtaa hihnan pyörimissuunnan käynnistyksen ajaksi. Mikrohybridin avulla voidaan jarrutuksessa syntyvä liike-energia kerätä talteen, mutta energian hyödyntäminen vaatii tehokkaan akun. (Vaahtola 2007b.) KUVIO 16. Mikrohybridin kaaviokuva (Vaahtola 2007b.)

27 Täyshybridi eli voimakas hybridi (kuvio 17) voi toimia joko pelkällä polttomoottorilla tai sähkömoottorilla tai molemmilla yhtä aikaa. Toyota ja Ford käyttävät omaan hybridimalliinsa tehonjakajaa, joka suuntaa polttomoottorin tehon osittain voimansiirtoon ja osan taas generaattoriin. Generaattori pyörittää sähkömoottoria ja sitä kautta vetäviä pyöriä. Järjestelmä on tehokas, koska se sallii moottorin käydä jatkuvasti parhaalla kierrosnopeudella. Moottori voi käynnistyä myös pelkästään akkujen lataamista varten, ja latausta tapahtuu myös jarrutusenergian talteenotossa. Jos liikenne on nykivää ja hidasta, polttomoottori sammuu kokonaan ja korvautuu akkuvirralla toimivalla sähkömoottorilla. (Nylund ym. 2006, 15 18.) KUVIO 17. Täyshybridin kaaviokuva (Vaahtola 2007b.) Fordin ratkaisu haitallisiin päästöihin on Edge plug-in -hybridi, jonka ensivirta otetaan pistokkeesta ja jatkovirta polttokennosta. Auton voima tulee sähkömoottoreilta, jotka on sijoitettu etu- ja taka-akseleille. Sähkömoottorit tuottavat 177 hv:n yleistehon, ja niiden tarvitsema virta varastoituu litium-ioniakkuihin. Näiden akkujen lataaminen vaatii 220 voltin jännitteellä kolme tuntia. Kun akkujen varaus on laskenut noin 40 prosenttiin, tuotetaan polttokennoilla lisävirta hapesta ja ve-

28 dystä. Teoriassa idea on nerokas, mutta käytäntö vaatii vielä kehitystä. (Eskola 2008c.) Peugeot Citroënin (PSA) arvion mukaan hybridi saattaisi olla mahdollista ottaa sarjatuotantoon vuoden 2010 tienoilla. Edellytyksenä olisi läpimurtoja hybriditekniikan kehittämisessä halvemmaksi. Kaikkien muiden valmistajien tavoin myös PSA kuitenkin näkee hybridiautot vain tilapäiseksi ratkaisuksi. Polttokenno on myös PSA:n mielestä tulevaisuuden voimanlähde, mutta se on vielä kaukaista tulevaisuutta. (Ketonen 2006.) Hybriditekniikasta saadaan eniten irti ruuhkaisessa kaupunkiliikenteessä, ei niinkään hiljaisilla maanteillä. Hybridiautoja myydään vielä aika vähän tavallisiin autoihin verrattuna, vaikka niiden ostamista useissa maissa tuetaankin verohelpotuksin. Vaikka niiden hiilidioksidipäästöt ovat vähäisemmät kuin tavanomaisissa autoissa, on niiden suosion kasvua hillinnyt mm. korkea hankintahinta. Tuotantokustannusten odotetaan kuitenkin laskevan valmistusmäärien kasvaessa. Rajoittavana tekijänä koetaan tarjonta eikä niinkään kysyntä. Useimpia hybridimalleja jonotetaan Yhdysvalloissa (kuvio 18) ja Euroopan markkinoilla. Ympäristötekijöitä ajatellen hybridi on hyvä siirtymävaihe odotettaessa vety- tai sähköauton laajamittaisempaa käyttöönottoa. (Nylund ym. 2006, 15 18.)

29 KUVIO 18. Raportoidut hybridiautomyynnit Yhdysvalloissa kuukausittain (Green Car Congress 2007a.) Kehitystyö sähkö-ja hybridiautojen parissa on luonut myös useita uusia yhteenliittymiä eri yritysten välille. Tästä on esimerkkinä 2005 perustettu yhtymä Hybrid Vehicle Development Consortium, jossa ovat mukana Raser, Pacific Gas & Electric, Electrovaya ja Maxell Technology. Niiden tavoitteena on ollut tuoda sähköautojen teknologia ulos laboratorioista todellisiin ajoneuvosovelluksiin. (Hybrid Consortium 2008.) Myös Nissan ja NEC tekevät yhteistyötä keskenään samoin kuin Toyota, Matsushita ja Yokohama. Saksassa on vuonna 2007 myönnetty 60 miljoonaa euroa litium-ioniakkujen ja paristojen R & D-projektiin. Tämä on ainoastaan valtion osuus koko projektista. Mukana projektissa ovat Evonik Industry, BASF, Bosch, Volkswagen ja Li-Tec. (Green Car Congress 2007a.) Myös Ruotsissa ollaan yhdistämässä voimia seuraavan sukupolven vihreän auton lanseeraami-

30 seen. Hallitus investoi 240 miljoonaa kruunua ympäristöystävällisten autojen tutkimiseen. Myös Ruotsin energialaitos tukee tätä projektia 20 miljoonalla kruunulla. Tässä projektissa mukana ovat Saab, Volvo, Vattefall ja ETC. (Regeringskansliet 2008.) 4.1.2 Sähköauto Sähköauto on ympäristöystävällinen, koska sen käytöstä ei synny hiilidioksidi- ja typpioksidipäästöjä (Mollestad 2007) eikä se aiheuta meluhaittoja. Sähköauton hyötysuhde on 95 %, eli 95 % tuotetusta energiasta saadaan muutettua sen liikeenergiaksi. Sähköauton akku on mahdollista ladata esimerkiksi tuulisähköllä, jonka tuotannossa ei missään vaiheessa synny ympäristöön mitään päästöjä. (Hyvönen, Kivelä & Lanér 2008.) Sähkö varastoidaan autoon akkujen avulla. Sähköautoissa voidaan käyttää neljää eri akkutyyppiä; lyijy-, nikkelikadmium-, nikkelimetallihybridi- ja litiumakkua. Akkutyyppi ja käytössä olevan akun koko vaikuttavat siihen, kuinka pitkän matkan yhdellä latauskerralla voi ajaa. Tyypillisesti matka on noin 70 150 kilometriä. (Motiva 2006.) Renault-Nissan-konserni aloittaa sataprosenttisesti sähköllä toimivien autojen valmistuksen, jotta ne saadaan markkinoille vuonna 2011. Konserni aikoo ensin myydä sähköautoja ainoastaan Israelissa. Renault-Nissan-konsernin sähköautoissa tullaan käyttämään litium-ioniakkuja, jotka ovat Nissanin valmistamia. (Kangasniemi 2008.) Mitsubishi Motors Corporation on ottanut käyttöön Lancer Evolution MIEVsähköautossaan tulevaisuuden teknologian (kuvio 19). Siinä sähköauton pyörän

31 napoihin on laitettu 50 kw:n sähkömoottorit. Näillä sähkömoottoreilla päästään samaan teholukemaan kuin Lancer Evolution GSR:n bensiinimoottorilla. Lancer Evolution MIEV -sähköauton yhdellä latauksella voi ajaa 250 kilometriä. (Tuulilasi-verkkotoimitus 2005.) KUVIO 19. Kaavakuva auton pyörän sisään asennettavasta sähkömoottorista (Tuulilasiverkkotoimitus 2005.) 4.1.3 Polttokenno Polttokenno on laite, joka käyttää vetyä polttoaineena energian tuottamisessa. Vedyn ansioista polttokennon päästöt pysyvät mahdollisimman pienininä, koska vedyn (H2) reagoidessa hapen kanssa ja syntyy puhdasta vettä, lämpöä ja sähköä. (VTT 2004, 275 277.) Polttokennoja on viittä (5) eri tyyppiä. Niistä saatava jännite on noin 0,7 volttia. Kytkemällä polttokennoja sarjaan saadaan tarvittava jännite. (Motiva 2006.) Kennot eroavat toisistaan niissä käytetyn elektrolyytin ominaisuuksissa. Ensimmäinen

32 polttokennotyyppi oli alkalipolttokenno (AFC), ja sitä on käytetty USA:ssa avaruuslennoilla tuottamaan sähköä. Samalla kun kenno tuotti sähköä, siitä saatiin myös juomavettä. Alkalipolttokennoa käytetään enää harvoin sen kalliin hinnan vuoksi. Toinen polttokennotyyppi on polymeerimembraanipolttokenno (PEM), joka soveltuu maantieliikenteeseen parhaiten. PEM-polttokennon hyviä puolia ovat, että se toimii matalassa lämpötilassa, sen lämmittäminen ei kestä kauaa ja sillä on suuri energiatiheys. Muita polttokennoja ovat kiinteäoksidipolttokenno (SOFC), sulakarbonaattipolttokenno (MCFC) ja fosforihappopolttokenno (PAFC). Kolmea viimeksi mainittua polttokennoa käytetään lähinnä voiman-, sähkön- ja lämmöntuotannossa. (VTT 2004, 275 279.) Polttokennossa (kuvio 20) on anodi ja katodi, ja niiden välissä on elektrolyytti. Elektrolyytin tehtävä on päästää läpi vain positiiviset ionit. Polttokenno toimii siten, että sen anodille syötetään vetymolekyylejä (H2). Molekyylit hajoavat anodilla vetyioneiksi ja kulkevat elektrolyytin läpi katodille. Vetymolekyylien hajotessa syntyneet elektronit kuljetetaan ulkoisen virtapiirin läpi anodilta katodille, jossa vetyionit yhtyvät ilman happeen (O2) sinne johdettujen elektronien kanssa. Reaktiosta syntyy vettä, joka kuljetetaan ulos kennosta. (Motiva 2006.)

33 KUVIO 20. Polttokennon toiminta, vasemmalla puolella PEM- ja PAFC- polttokennojen toimintaperiaatteet ja oikealla SOFC-polttokennon toimintaperiaate (VTT 2004, 277.) Polttokennot tulevat markkinoille hitaasti, mutta niiden tulevaisuus autoteollisuudessa näyttää hyvältä. Vaikka ensimmäinen polttokennoauto on esitelty jo vuonna 1807, kehitys jatkuu edelleen. (Eskola 2008b.) Ilmastonmuutos, kasvihuonekaasupäästöt, energian tarve ja hinta vauhdittavat polttokennojen kehitystä. EU:n vety- ja polttokennoteknologiayhteisön mukaan polttokennoilla tulee olemaan suuri markkinaosuus vuoteen 2020 mennessä, ja monet autonvalmistajat ovatkin jo aloittaneet polttokennoautojen kehitystyön. (Raunio 2007.) Saksassa autonvalmistaja Daimler on esitellyt oman prototyyppinsä syksyllä 2007, ja nyt yrityksellä on noin sata polttokennoautoa testiajossa Saksassa. (Laitala 2007.) Tällä hetkellä polttokennoautojen tekniikka on kuitenkin niin kallista, että varsinaista massatuotantoa ei ole vielä aloitettu. Lisäksi vedyn valmistus- ja jakeluongelmiin halutaan löytää ratkaisu. Ongelmista huolimatta polttokennoautojen tuo-

34 tannon arvioidaan pääsevän vauhtiin seuraavien vuosikymmenien aikana. (Laitala 2007.) 4.2 Polttoainevaihtoehdot 4.2.1 Maakaasu Maakaasu voidaan tankata ajoneuvoon kahdella eri tavalla, paineistettuna (CNG, compressed natural gas) tai nesteytettynä (LNG, liquefied natural gas). Maakaasu koostuu pääosin metaanista (CH4) sekä pienistä määristä etaania ja propaania. Maakaasu on rikitön, jos siinä ei ole hajusteita, eikä maakaasun saatavuus ole riippuvainen öljynjalostuskapasiteetista. Maakaasun koostumus vaihtelee eri alueilla. Suomessa käytössä oleva venäläinen kaasu on erittäin puhdasta, sen metaanipitoisuus on yli 98 % ja loput 2 % ovat etaania ja typpeä. (Motiva 2007a.) Nestekaasu on pääosin propaania (C3H8) ja butaania (C4H10). Säänneltyjen päästöjen osalta maa- ja nestekaasu ovat suurin piirtein samanveroiset, mutta maakaasu päihittää nestekaasun CO2-taseellaan. Maakaasun tankkaaminen CNG-muodossa on selväsi yleisempää. Koska maakaasun ottaminen ajoneuvon säiliöön vaatii säiliöltä lujuusvaatimuksia, säiliöt ovat huomattavasti suuremmat, painavammat ja kalliimmat kuin nestemäisen polttoaineen säiliöt. (Motiva 2007a.) Maakaasuautoissa voidaan käyttää kolmea moottorivaihtoehtoa. Ne voivat toimia pelkällä maakaasulla, vaihtaa maakaasun ja bensiinin välillä (bi-fuel) tai käyttää maakaasun ja dieselin yhdistelmää (dual-fuel), jossa polttoaineiden sekoitussuhde muuttuu moottorin kierrosnopeuden ja kuormituksen mukaan. Maakaasukäyt-

35 töisten henkilö- ja pakettiautojen ei tarvitse lainkaan maksaa maassamme käytettävää dieselveroa. (Nylund ym. 2006, 22 25.) Bi-fuel- auto (kuvio 21) sisältää maakaasusäiliöt, painesäätimen ja kaasun syöttölaitteiston sekä bensiinitankin. Auto käynnistyminen tapahtuu bensiinillä, ja hetken lämmettyään auto vaihtaa käyttämään maakaasua. Uusimmissa malleissa vaihto tapahtuu automaattisesti. Vaihto bensiinistä maakaasuun voi myös olla manuaalinen automallin mukaan. Kuljettaja voi myös ajon aikana päättää haluamansa polttoaineen. Tankillisella maakaasua Bi-fuel-auto kulkee mallin mukaan 200 300 km. Polttoaineen kulutus on bensiiniauton luokkaa, eli 1 litra bensiiniä vastaa 1 m³ maakaasua. (Motiva 2007a; Haminan energia Oy 2008.) KUVIO 21. Yleiskuva Volvon Bi-fuel-hybridijärjestelmästä (Irishcar 2001.) Maakaasulla liikkuvia ajoneuvoja ei Suomessa ole tällä hetkellä kovinkaan paljon. Ne ovat 10 30 % kalliimpia kuin vastaavat bensiinikäyttöiset mallit. Euroopassa, kuten Italiassa, Saksassa, Ranskassa ja Ruotsissa, maakaasuautoilulla on jo merkit-

36 tävä asema maanteillä. Edellä kävijöitä maakaasuautojen tuotannossa ovat esimerkiksi seuraavat merkit: Volvo, Fiat, Mercedes Benz, Opel, Volkswagen. (Haminan energia Oy 2008.) Maakaasua jakelevat asemat ovat paljon kalliimpia perustaa kuin nestekaasuasemat. Tämä osaltaan vaikeuttaa maakaasuautojen käyttöönottoa. Ollaan sen ongelman edessä, jossa polttoaineen toimittajat eivät halua rakentaa lisää maakaasuasemia ennen kuin käytössä on enemmän maakaasuautoja, kun taas käyttäjät eivät halua ostaa maakaasuautoa, ennen kuin on tarjolla tarpeeksi huoltoasemia. (Nylund ym. 2006.) 4.2.2 Vety Liikenteestä syntyvien kasvihuonekaasujen vähentämiseksi on myös pyritty kehittämään vetyä polttoaineenaan käyttäviä autoja. Vedyn käyttö suoraan tavallisessa polttomoottorissa ei onnistu, vaan tarvitaan moottorimuutoksia, koska vety on erittäin herkästi syttyvä kaasu. (Motiva 2007b.) Vety voidaan käyttää kahdella eri tavalla. Ensimmäinen tapa on käyttää vetyä polttoaineena tavallisessa polttomoottorissa fossiilisten polttoaineiden sijasta. Toinen tapa on polttaa vetyä polttokennossa, jolloin reaktiossa vapautuva kemiallinen energia muutetaan suoraan sähköenergiaksi. (Euroopan komissio 2008a.) Polttokennotekniikkaa vielä kehiteltäessä voivat polttomoottorit osoittautua yhdeksi keinoksi lisätä vetyenergian käyttöä. Joidenkin autovalmistajien mukaan vetypolttomoottoria käyttävät ajoneuvot raivaavat tietä polttokennoille ja näin ollen auttavat tulevaisuudessa vetytankkausinfrastruktuurin kehittymisessä. Autonvalmistajista BMW uskoo, että vetypolttomoottorit menestyvät nimenomaan paremmin kuin polttokennot tulevaisuudessa. BMW onkin kehitellyt vetyauton,

37 jota kuljettaa iso V12-polttomoottori eikä polttokenno. Vetyautossa tarvittava sähköteho tosin tuotetaan pienellä polttokennoyksiköllä. (Nylund ym. 2006.) Vedyn tulevaisuus ei suinkaan ole ongelmaton. Suurin ongelma on ehkä se, että kaasua ei ole saatavana missään päin maailmaa. Myös se, että vedyn tuotanto muista raaka-aineista, kuten esimerkiksi maakaasusta tai vedestä, vaatii energiaa enemmän kuin polttaminen vapauttaa, on ongelmallista. Eräässä amerikkalaisessa yliopistossa ongelmiin tosin on ehkä keksitty ratkaisu. Keksitty menetelmä auttaa vedyn käyttöönoton käytännön puolen ongelmissa. Ideana on tuottaa vetyä alumiinin ja veden välisestä reaktiosta. Metallipelletit voidaan varastoida helposti, ja vettä on saatavilla riittävän laajasti. Tämä auttaisi jakeluverkon ja paineistetun kaasun säilytysongelmien yli. (Kangasniemi 2007.) 4.2.3 Etanoli Etanoli on ympäristöystävällistä ja bensiiniä puhtaampaa polttoainetta, jolla on korkea oktaaniluku. Oktaaniluku kertoo, kuinka nopeasti polttoaine palaa; mitä korkeampi oktaaniluku on, sitä hitaampaa on palaminen. (Motiva 2006.) Jos polttoaine palaa nopeasti, se aiheuttaa moottorissa nakutusta, joka pitkällä aikavälillä vahingoittaa moottoria. Etanolia voidaan valmistaa muun muassa sokeriruoista, maissista, durrasta sekä hedelmien ja vihannesten jätteistä, joten sitä voidaan pitää uusiutuvana polttoaineena. (Journey to Forever 2008.) Etanoli soveltuu tavallisiin moottoreihin, jos sitä on sekoitettuna bensiiniin maksimissaan 10 %. Yli 10 %:n etanolipitoisuus vaatii muutoksia moottorissa. Etanoli sisältää vähemmän energiaa, joten bensiiniin verrattuna etanolin kulutus on kaksinkertainen. (Motiva 2007b.)

38 Etanoli on polttoaineena energiatehokasta, mutta sen kilpailijaksi saattaa tulevaisuudessa nousta vieläkin energiatehokkaampi biobutanoli. Oulun yliopiston professorin Ulla Lassin mukaan biobutanolin sisältämä suurempi hiilimäärä tekee siitä etanolia tehokkaampaa. Yksi litra etanolia vastaisi 0,7 litraa biobutanolia. (Raunio 2008.) 4.2.4 Nestekaasu Nestekaasu koostuu butaanista (C4H10) sekä propaanista (C3H8), jota nestekaasussa yleensä on 80 95 %. Nestekaasu palaa puhtaasti, koska se on kemialliselta rakenteeltaan yksinkertaista. (Motiva 2007b.) Nestekaasua voidaan käyttää monessa eri sovelluksessa, kuten esimerkiksi lämmön tuotannossa, ilmastoinnissa ja liikenteessä (World LP Gas Assosiation 2005). Nestekaasua voidaan käyttää nykyisissä bensiini- ja dieselmoottoreissa, mutta molemmat moottorit vaativat muutoksia. Kumpaankin moottorityyppiin on vaihdettava kaasulaitteisto polttoainejärjestelmän tilalle. Dieselmoottorin puristussuhde on nestekaasulle liian korkea, joten sitä täytyy laskea. (Motiva 2007b.) Nestekaasuautoja on käytössä jo Euroopassa. Nestekaasulla toimivan auton kulutus on 20 25 % korkeampi kuin bensiiniauton ja 30 40 % korkeampi kuin dieselauton. Vaikka nestekaasuauto kuluttaa enemmän, sen hiilidioksidipäästöt ovat 5 10 % pienemmät kuin bensiiniauton. Dieselautolla ja nestekaasuautolla hiilidioksidipäästöt ovat lähes samansuuruiset, mutta nestekaasuauto tuottaa vähemmän erilaisia hiukkaspäästöjä. (Motiva 2006.)