Ilari Leskinen Sähkö ja kaasu kuljettaa - koulutusmateriaali pelastusalalle Metropolia Ammattikorkeakoulu Insinööri (AMK) Auto- ja kuljetustekniikka Insinöörityö 30.4.2014
Tiivistelmä Tekijä Otsikko Sivumäärä Aika Ilari Leskinen Sähkö ja kaasu kuljettaa - koulutusmateriaali pelastusalalle 10 sivua + 1 liite 30.4.2014 Tutkinto Insinööri (AMK) Koulutusohjelma Auto- ja kuljetustekniikka Suuntautumisvaihtoehto Autosähkötekniikka Ohjaajat Vesa Linja-aho Markku Haikonen Tämä insinöörityö käsittelee pelastusalalle suunnattua koulutusmateriaalia, joka toimii ennakko-opiskelumateriaalina koulutuksessa UATP - 2014, uusi autotekniikka tutuksi pelastustoiminnassa. Insinöörityön tilaajana on Sähköturvallisuuden edistämiskeskus STEK. Insinöörityön tarkoituksena on antaa hyvät perusteet hybridi-, sähkö- ja maakaasuautojen tekniikasta ja turvallisuudesta. Insinöörityö koostuu pääosin kolmesta eri osa-alueesta. Ensimmäinen osa-alue käsittelee UATP 2014-hanketta, sen lähtökohtia ja tavoitteita. Toisessa osa-alueessa käydään läpi hybridi-, sähkö- ja maakaasuautojen tekniset perusteet ja turvalaitteet. Viimeisessä osiossa käsitellään ennakko-opiskelumateriaalin lähtökohdat ja tavoitteet ja lopussa on liitteenä ennakko-opiskelumateriaali kokonaisuudessaan. Insinöörityön tuloksena saatiin kattava koulutusmateriaali, jota käytettiin UATP 2014-koulutuskierroksella ennakko-opiskelumateriaalina hyvin lopputuloksin. Avainsanat hybridi, sähkö, maakaasu, UATP
Abstract Author Title Number of Pages Date Ilari Leskinen Electric and Gas Vehicles Transport - Educational Material for Rescuers 10 pages + 1 appendix 30 April 2014 Degree Bachelor of Engineering Degree Programme Automotive and Transport Engineering Specialisation option Automotive Electronics Engineering Instructor Vesa Linja-aho, Senior Lecturer Markku Haikonen, Project Manager This thesis deals with the educational material for rescuers. This material will be used as a pre-studying material in UATP - 2014, Uusi autotekniikka tutuksi pelastustoiminnassa, education tour. The thesis was assigned by Sähköturvallisuuden edistämiskeskus, STEK. The purpose of this thesis is to give background information and basic principles of the technology and safety of hybrid, electrical and natural gas cars. The thesis consists of three different parts. The first part deals the UATP - 2014 project and the objectives of the project. The second part describes technical principles and safety devices of hybrid, electric and natural gas cars. The last part deals with the pre-studying material and the whole pre-studying material packages can be found in the appendix of this thesis. The result of this thesis is a comprehensive education material. This material was used on UATP - 2014 education tour as a pre-studying material with good results. Keywords hybrid, electric, natural gas, UATP
Sisällys Lyhenteet 1 Johdanto 1 2 UATP - 2014 2 2.1 Lähtökohdat 2 2.2 Tavoitteet 2 2.3 Koulutussisältö 2 3 Uusi autotekniikka Suomessa 3 3.1 Hybridiautot 4 3.1.1 Yleistä 4 3.1.2 Hybridiautojen voimansiirto 4 3.1.3 Hybridiautojen hybridisointiaste 4 3.2 Sähköautot 5 3.2.1 Yleistä 5 3.2.2 Sähköautojen voimalinja 6 3.2.3 Hybridi- ja sähköautojen turvajärjestelmät 6 3.3 Maakaasuautot 7 3.3.1 Yleistä 7 3.3.2 Maakaasu 7 3.3.3 Maakaasuautojen turvajärjestelmät 7 4 Ennakko-opiskelumateriaali 8 4.1 Lähtökohdat 8 4.2 Tavoitteet 9 5 Yhteenveto 9 Lähteet 10 Liite1: Sähkö ja kaasu kuljettaa - Hybridi-, sähkö- ja kaasuautojen turvallisuusperusteita pelastushenkilöstölle
Lyhenteet UATP Uusi autotekniikka tutuksi pelastustoiminnassa SRS Supplemental Restrain System = lisäturvajärjestelmä CNG Compressed Natural Gas = Paineistettu maakaasu PRD Pressure Release Device = Paineenvapautuslaite
1 1 Johdanto Tämän insinöörityön tilaajana toimii Sähköturvallisuuden edistämiskeskus - STEK yhdessä Metropolia Ammattikorkeakoulun kanssa. Työssä toteutettiin ennakko-opiskelumateriaali UATP 2014-koulutukselle. UATP - uusi autotekniikka tutuksi pelastustoiminnassa-koulutus on Metropolia Ammattikorkeakoulun aloittama hanke, joka on toteutettu yhteistyössä Suomen Palopäällystöliiton, Suomen Pelastusalan Keskusjärjestön, Pelastusopiston ja Palosuojelurahaston kanssa. Tämä ennakko-opiskelumateriaali tullaan julkaisemaan verkossa UATP - 2014-koulutukseen osallistuville sekä STEKin internet sivuilla. Insinöörityön alussa käydään läpi UATP 2014-hankkeen lähtökohdat ja tavoitteet. Tämän jälkeen kerrotaan hybridi-, sähkö- ja maakaasuautoista. Lopussa on ennakko-opiskelumateriaalin lähtökohdat, tavoitteet ja insinöörityön yhteenveto. Liitteenä on ennakkoopiskelumateriaalin diaesitys kuvina. Metropolia Ammattikorkeakoulu on pääkaupunkiseudulla toimiva, Suomen suurin monialainen ammattikorkeakoulu, joka tarjoaa koulutusta liiketalouden, kulttuurin, sosiaalija terveysalan ja tekniikan koulutusta. Metropolia Ammattikorkeakoulussa on 16800 opiskelijaa ja 740 opetushenkilöstöä. Sähköturvallisuuden edistämiskeskus ry on yleishyödyllinen yhdistys, joka aloitti toimintansa vuonna 1996. Sähköturvallisuuden edistämiskeskus kehittää ja edistää Suomessa sähköturvallisuutta ja siihen läheisesti liittyviä tehtäväalueita. Insinöörityö tehtiin projektityönä, jossa insinöörityöntekijä, Ilari Leskinen, toimi työn operatiivisena johtajana kolmen hengen opiskelijaryhmälle, jotka avustivat aineiston hankinnassa ja alustivat ennakko-opiskelumateriaalia. Ennakko-opiskelumateriaali on laadittu yleisesti hyväksi todetuista ammattikirjallisuudesta ja eri autovalmistajien edustajilta kerätystä tiedoista.
2 2 UATP - 2014 2.1 Lähtökohdat Metropolia Ammattikorkeakoulu käynnisti syyskuun puolessa välissä UATP - uusi autotekniikka tutuksi pelastustoiminnassa -koulutushankkeen. Koulutushankkeen toteutukseen osallistuvat myös Suomen Palopäällystöliitto, Suomen Pelastusalan Keskusjärjestö, Pelastusopisto ja Palosuojelurahasto. Kyseinen koulutushanke pantiin aluille Metropolia Ammattikorkeakoulun sisäisen työryhmän tutkimuksen perusteella. Metropolia Ammattikorkeakoulun sisäinen työryhmä kävi tuolloin muun muassa haastattelemassa paloesimiehiä Pelastusopistolla ja Helsingin Pelastuslaitoksella. Tutkimuksessa tehtiin kartoitus pelastushenkilökunnan tietämyksestä uutta autotekniikkaa kohtaan, jolloin huomattiin, että Suomen pelastushenkilöstön tiedot uudesta autotekniikasta eli hybridi-, sähkö- ja maakaasuautoista vaihtelevat suuresti. Tutkimuksen lopputulos oli se, että Suomen pelastushenkilöstö tarvitsee asiantuntevaa koulutusta uudesta autotekniikasta. 2.2 Tavoitteet Koulutushankeen tavoitteena on pitää noin 20 koulutusta, joissa opetetaan yhteensä noin 250 pelastusalalla toimivalle, johtotehtävissä oleville, henkilöille hybridi-, sähkö- ja maakaasuautojen tekniikan ja turvallisuuden perusteet sekä turvalliset toimintatavat onnettomuustilanteissa. 2.3 Koulutussisältö Koulutuksiin osallistuville jaetaan ennakko-opiskelumateriaali, joka antaa perusteet koulutuksissa käytäviin teoria- ja käytäntöopetuksiin. Koulutuksien teoriaosuuksissa käydään perusteellisesti läpi hybridi- ja sähköauto sekä maakaasuauto. Teoriatuntien jälkeen on vuorossa käytännön rastikierros, jossa koulutettaville jaetaan rastikortit (kuva 1), joiden mukaan tulee toimia.
3 Kuva 1. Sähköauton rastikortti 3 Uusi autotekniikka Suomessa Suomen autokannan keski-ikä on ollut nousussa 60-luvun puolesta välistä nykypäivään. Tämä käy selville Autoalan tiedotuskeskuksen verkkosivuilta, joiden lähteenä toimii Trafin ja Tilastokeskuksen tilastoinnit [1]. Kuitenkin polttoaineiden hintojen ja ilmastotietoisuuden lisääntyessä vaihtoehtoisia polttoaineita käyttävät autot ovat alkaneet yleistyä Suomessa. Nämä uudet autot tuovat pelastushenkilöstölle erikoistilanteita ja sen pitää varautua yhä enemmän siihen, että onnettomuudessa on mukana vaihtoehtoista polttoainetta käyttävä ajoneuvo. Seuraavassa käydään läpi yleisimmät Suomessa esiintyvät vaihtoehtoista polttoainetta käyttävät ajoneuvot, niiden tekniikan perusteet ja yleisyys Suomen liikenteessä.
4 3.1 Hybridiautot 3.1.1 Yleistä Hybridiautot ovat yleensä jo tuotannossa olevien polttomoottorikäyttöisten autojen konversioita. Hybridiautoissa on tavallisen polttomoottorin rinnalla tai yhteydessä toimii vaihtosähkömoottori. Vaihtosähkömoottorin tarvitseva energia varastoidaan korkeajännitteiseen akustoon. Korkeajännitteinen tasasähkö muutetaan invertterillä korkeajännitteiseksi vaihtosähköksi, joka johdetaan vaihtosähkömoottorille. Hybridiautoissa on myös normaali matalajännitteinen 12 voltin järjestelmä, joka ohjaa mukavuuslaitteita ja SRS-lisäturvajärjestelmää. Hybridiautot voidaan luokitella kahden eri tavan mukaan, joko hybridisointiasteen tai voimansiirtolinjan mukaan. [2, s. 42.] 3.1.2 Hybridiautojen voimansiirto Voimansiirtolinjan mukaan hybridiautot voidaan jakaa sarja-, rinnakkais- ja power spliteli sarjarinnakkaishybrideiksi. Sarjahybridissä voimansiirtolinja on toteutettu niin että polttomoottoria käytetään ainoastaan generaattorin pyörittämiseen, jolla tuotetaan sähköenergiaa sähkömoottorille, ja näin ollen vetävien pyörien ja polttomoottorin välillä ei ole minkäänlaista mekaanista yhteyttä. Rinnakkaishybridissä voimansiirtolinja on toteutettu niin, että vetäville pyörille tuleva voima tuotetaan joko polttomoottorilla, sähkömoottorilla tai molemmilla. Rinnakkaishybridissä molemmat moottorit ovat siis fyysisesti kytkettynä voimansiirtoon. Power split- eli sarjarinnakkaishybridi on kahden edellä mainitun voimansiirtolinjan toteutuksen yhdistetty versio. Tässä on otettu molempien voimansiirtolinjojen hyödyt käyttöön, jolloin polttomoottorilla voidaan joko tuottaa voimaa vetäville pyörille tai sillä voidaan tuottaa sähköenergiaa akuille tai sähkömoottorille. 3.1.3 Hybridiautojen hybridisointiaste Hybridiautot voidaan myös luokitella hybridisointiasteen mukaan. Hybridisointiasteita ovat mikro-, kevyt-, täys- ja pistokehybridi.
5 Mikrohybridi on vain joidenkin autovalmistajien kauppanimike joillekin autoille, jotka on varustettu jarrutusenergian talteenotolla tai/ja pysäytys-käynnistysautomatiikalla. Hybridiajoneuvosta ei ole siis kysymys, sillä ajoneuvo käyttää pelkkää polttomoottoria voiman tuottamiseen. Kevythybridi on hybridiajoneuvo, jossa sähkömoottori toimii avustavana voimantuottajana polttomoottorille. Kevythybridi ei siis voi kulkea pelkällä sähkömoottorilla. Täyshybridi on hybridiajoneuvo tuottaa vetävien pyörien voiman, joko sähkömoottorilla, polttomoottorilla tai molemmilla yhtä aikaa. Pistokehybridin voimantuotto toimii samalla tavalla kuin täyshybridissä. Täyshybridin ja pistokehybridin ero on siinä, että pistokehybridin akusto voidaan ladata sähköverkosta. Tästä johtuen pistokehybrideissä on tyypillisesti muita hybridiajoneuvoja isompi akusto. 3.2 Sähköautot 3.2.1 Yleistä Sähköautoissa käyttövoiman tuottaa normaalin polttomoottorin sijasta vaihtosähkömoottori. Vaihtosähkömoottorin tarvitsema energia varastoidaan isoon korkeajännitteiseen akustoon. Sähköautoissa on myös normaali 12 voltin järjestelmä, joka ohjaa mukavuuslaitteita ja SRS-lisäturvajärjestelmää. Tästä syystä sähköautoissa on vähintään yksi 12 voltin akku. Sähköauton korkeajännitejärjestelmä ylläpitää ja lataa 12 voltin akkua DC/DC-muuntimen kautta. DC/DC-muunnin muuntaa korkeajännitteisen tasajännitteen matalajännitteiseksi.
6 3.2.2 Sähköautojen voimalinja Koska täyssähköautoissa ei ole polttomoottoria, ei niissä ole myöskään polttoainetankkia. Polttoainetankin tilalla on korkeajänniteakusto. Korkeajänniteakuston energia voi olla ajoneuvosta riippuen jopa kymmeniä kilowattitunteja. Korkeajännitteisen akuston jännite vaihtelee; yleensä korkeajänniteakuston keskijännite on noin 400 V, mutta se voi olla jopa yli 600 V. Korkeajänniteakustolta johdetaan tasajännite invertterin kautta vaihtosähkömoottorille. Invertteri muuntaa tasajännitteen vaihtojännitteeksi, ja kun sähköautoa jarrutetaan, invertteri toimii myös toiseen suuntaan muuntaen vaihtojännitteen tasajännitteeksi. Kun sähköauto jarruttaa, saadaan näin otettua jarrutusenergia talteen ja ladattua korkeajänniteakkuja. 3.2.3 Hybridi- ja sähköautojen turvajärjestelmät Valtaosa hybridi- ja sähköautoista on varustettu SRS-lisäturvajärjestelmällä, johon kuuluvat erinäiset passiiviset turvalaitteet kuten kuljettajan turvatyyny, matkustajien turvatyynyt, turvaverhot, lisäturvatyynyt ja vyönkiristimet. SRS-lisäturvajärjestelmän ohjainyksikkö on myös kytketty korkeajänniteakkujen turvajärjestelmään. Tämän vuoksi, jos auto ajaa kolarin ja SRS-lisäturvajärjestelmä aktivoituu, tällöin se lähettää signaalin korkeajänniteakkujen turvajärjestelmän ohjainyksikölle, joka avaa korkeajänniteakuston relekontaktorit ja näin kytkee akuston irti järjestelmästä. Korkeajänniteakuston turvajärjestelmä myös valvoo mahdollisia vikatiloja ja eristysresistanssia. Jos jokin korkeajännitettä käyttävä laite vioittuu tai eristysresistanssi muuttuu, tällöin turvajärjestelmä avaa akuston relekontaktorit. Hybridi- ja sähköautojen korkeajänniteakusto on yhdistetty koriin suurilla vastuksilla, joten käytännössä eristysresistanssi on niin suuri, että akusto on kelluva. Eristysresistanssin on oltava 500 Ω yhtä volttia kohden, jos korkeajännitteiset tasa- ja vaihtojänniteväylät ovat galvaanisesti yhdessä. Tämä on määrätty säädöksessä UNECE R 100 [3].
7 3.3 Maakaasuautot 3.3.1 Yleistä Maakaasuautot käyttävät polttoaineenaan bio- tai maakaasua. Molemmista käytetään termiä CNG, compressed natural gas, paineistettu maakaasu, silloin kun paine on yli 55 bar. Maakaasua voidaan käyttää sekä bensiini- että dieselmoottoreissa. Bensiini-kaasuautoissa voidaan käyttää joko bensiiniä tai maakaasua polttoaineena. Kun moottori on maakaasukäytöllä, maakaasu suihkutetaan normaalin bensiinin tapaan moottorin imusarjaan. Diesel-kaasuautoissa polttoaineena käytetään dieselin ja maakaasun seosta, koska maakaasu ei syty paineesta kuten diesel. 3.3.2 Maakaasu Bio- tai maakaasu on yli 98 tilavuusprosenttia metaania ja pieniä määriä etaania, propaania, butaania ja typpeä sisältävä kaasuseos. Kaasuseos on ilmaa kevyempää ja nousee nopeasti ylöspäin ilmakehään. Maakaasun syttymisrajat, ilmanlämpötilan ollessa 0 C, ovat 5 14 %. Kun ilmanlämpötila on +400 C, niin syttymisrajat kasvavat 3 17 %. Maakaasun itsesyttymislämpötila on +600 C. Maakaasu on hajuton, väritön ja mauton hiilivety. Tästä johtuen liikennepolttoaineena käytettävään maakaasuun sekoitetaan hajusteainetta. Maakaasu ei ole myrkyllistä eikä pieninä pitoisuuksina hengitettynä aiheuta mitään oireita. [4] 3.3.3 Maakaasuautojen turvajärjestelmät Paineistettu maakaasu säilötään teräs- tai komposiittisäiliöihin. Nämä säiliöt ovat standardien ECE-R110 tai ISO 11439 mukaiset. Vika- tai onnettomuustilanteissa kaasun sulkemisesta tai hallitusta vapautuksesta huolehtii säiliöissä olevat turvalaitteet. Turvalaitteita ovat magneettiventtiili, manuaalinen sulkuventtiili, PRD eli paineenvapautuslaite ja virtauksen rajoitin.
8 Magneettiventtiilin tehtävä on sulkea säiliöstä tuleva kaasulinja, kun auton virrat ovat pois, moottori käy bensiinillä tai kun SRS-lisäturvalaitteet ovat aktivoituneet. SRS-lisäturvajärjestelmä on kytketty magneettiventtiilin toimintaan vain tehdasvalmisteisissa maakaasuautoissa. Manuaalinen sulkuventtiili on jokaisen säiliön ja kaasulinjan välillä. Tämä venttiili voidaan sulkea käsin, esimerkiksi onnettomuustilanteissa tai kaasuvuodon sattuessa. Pressure Release Device, PRD, vapauttaa kaasun poistoputkeen, jos sen lämpötila nousee yli 110 C tai jos säiliön paine kasvaa liian suureksi n. 250-350 bar:iin. Jos kaasu vapautuu PRD:n toimimisen johdosta, ei kaasua voida enää sulkea, vaan säiliö vuotaa tyhjäksi. Täyden järjestelmän tyhjenemiseen kuluu noin 90 sekuntia. Virtauksen rajoitin rajoittaa säiliöstä tulevaa kaasua, jos kaasulinjan ja säiliön paine-ero on yli 2 bar. 4 Ennakko-opiskelumateriaali UATP 2014-koulutuspäivät ovat yksipäiväisiä, ja niissä on laaja koulutusmateriaali. Koulutuksessa käytävät asiat ovat suurelta osin täysin uusia pelastushenkilöstölle. Tämän vuoksi STEKin tuella päätettiin toteuttaa ennakko-opiskelumateriaali UATP 2014- koulutusta varten. 4.1 Lähtökohdat Ennakko-opiskelumateriaali toteutettaisiin insinöörityönä, täyspäiväisen opiskelun ohella, UATP 2014-koulutuskiertueen alkamisajankohdan ja ennakko-opiskelumateriaalin julkaisuajankohdan takia. Insinöörityöntekijä toimisi operatiivisena johtajana, ja alkuvaiheessa hänen alaisuudessaan toimisi kolmen hengen opiskelijaryhmä. Materiaalia hankittiin Metropolian sisäisen työryhmän tutkimukseen osallistuvilta henkilöiltä, eri autojen maahantuojilta, alan ammattikirjallisuudesta ja erikoisosaamista omaavilta tahoilta, kuten Trafi ja Gasum.
9 4.2 Tavoitteet Ennakko-opiskelumateriaalin tulisi olla helppolukuista, lähtötasoon katsomatta ymmärrettävää ja selkeää. Sen tulisi antaa perusteet hybridi-, sähkö- ja maakaasuautojen teknisestä toteutuksesta ja niiden turvallisuudesta ja käyttäytymisestä onnettomuustilanteissa. Valmis ennakko-opiskelumateriaali julkaistaisiin internetissä UATP 2014-koulutustilassa ja STEKin sivuilla julkisena, niin että kuka tahansa voisi sen lukea ja omaksua tiedot. 5 Yhteenveto Lopputuloksena insinöörityönä toteutettu ennakko-opiskelumateriaali oli kattava kokonaisuus hybridi-, sähkö- ja maakaasuautojen teknisistä ominaisuuksista, eroavaisuuksista tavan polttomoottoriautoihin ja turvallisuusperusteista. Insinöörityö valmistui ajallaan ja se julkaistiin UATP 2014-koulutuskierrokselle osallistuneille. Koulutuksissa huomattiin, että useat olivat tutustuneet aineistoon ja omaksuneet tiedot. Koulutuksista saatu palaute varmisti koulutuksen ja ennakko-opiskelumateriaalin tarpeellisuuden käytännön tilanteissa.
10 Lähteet 1 Henkilöautokannan keski-iän kehitys. Verkkodokumentti. Autoalan tiedotuskeskus. <http://www.aut.fi/tilastot/suomen_autokanta/autokannan_kehitys/henkiloautokannan_keski-ian_kehitys> Luettu 11.4.2014 2 Linja-aho, Vesa. 2013. Sähkö- ja hybridiajoneuvojen sähkötyöturvallisuus. 2. painos. Autoalan Koulutuskeskus Oy. Helsinki 3 Yhdistyneiden Kansakuntien Euroopan talouskomission (UNECE) sääntö nro 100 Yhdenmukaiset vaatimukset, jotka koskevat ajoneuvojen hyväksyntää sähköiseen voimajärjestelmään sovellettavien erityisvaatimusten osalta. 4. joulukuuta 2010 <http://eur-lex.europa.eu/lexuriserv/lexuriserv.do?uri=oj:l:2011:057:0054:0085:fi:pdf>
1 (36) Liite1: Sähkö ja kaasu kuljettaa - Hybridi-, sähkö- ja kaasuautojen turvallisuusperusteita pelastushenkilöstölle
2 (36)
3 (36)
4 (36)
5 (36)
6 (36)
7 (36)
8 (36)
9 (36)
10 (36)
11 (36)
12 (36)
13 (36)
14 (36)
15 (36)
16 (36)
17 (36)
18 (36)
19 (36)
20 (36)
21 (36)
22 (36)
23 (36)
24 (36)
25 (36)
26 (36)
27 (36)
28 (36)
29 (36)
30 (36)
31 (36)
32 (36)
33 (36)
34 (36)
35 (36)
36 (36)