Sähköauton yleistyminen oli sattumien summa

Sähköautot yleistyvät vähitellen. Niiden myyntimäärät ovat toisaalta pieniä, toisaalta rajusti kasvavia – samalla kun muita käyttövoimia hyödyntävien henkilöautojen myynti Suomessa on enemmän tai vähemmän romahtanut.

Maailmalla sähköauto pääsi vähän yllättämään, vaikka onhan sen tulemista ennustettu vuosia tai vuosikymmeniä. Myös vetypolttokennon menestystä tulevaisuuden voimanlähteenä on povattu hartaasti, mutta tämä kehitys on jäänyt toteutumatta.

Mistä lähtökohdista eri käyttövoimien kehitystä on ennustettu ja kuinkas sitten kävikään? 

Satuin löytämään tutkimuksen, On the road in 2020, jonka on tehnyt energialaboratorio Massachusetts Institute of Technologystä, kaksikymmentä vuotta sitten, vuonna 2000. Tutkimus pyrkii arvioimaan maantieliikenteen käyttövoimien kehitystä vuodelle 2020. 

Nyt onkin mitä parhain ajankohta perehtyä aikansa fiksuimpien insinöörien tekemien pohdintojen toteutumaan.

Mukana käyttövoimien kehitystä on pohtimassa LUT Yliopiston Sähkönkäyttötekniikan professori, Juha Pyrhönen. Lappeenrantalaisessa teknillisessä yliopistossa tehdään Suomen kovinta sähkökäyttöjen tutkimusta.

Sähköauto ei ollutkaan päästöiltään pienin

Tutkimus asettaa odotetusti kasvihuonekaasut, erityisesti hiilidioksidin, keskeiseen asemaan. On the road in 2020 -tutkimuksesta löytyy myös nykykäsityksiin nähden erikoisia näkökulmia.

Nyt 2020 ymmärretään yleisesti, että akkusähköauto on hiilidioksidipäästöjen osalta paras menopeli, joka on paikallisesti päästötön ja jolla on mahdollista saavuttaa jopa nollapäästöinen ajaminen. Sähköauton energiatehokkuus kun on lyömätön ja sähköverkon hiilipäästöt ovat Suomessa ja monessa muussakin maassa hyvin pieniä. Ja mikä tärkeintä: Sähköä voidaan tuottaa joustavasti eri tavoin, kun taas bensiinimoottori on toistaiseksi suuresti sidottu fossiilisiin energiamuotoihin.

Parikymmentä vuotta sitten tutkimuksen pienimmät hiilidioksidipäästöt eivät kuitenkaan löytyneet sähköautosta, eivätkä edes vetypolttokennoisista menijöistä, vaan bensa-, diesel- ja CNG-hybrideistä. 

Mitä ihmettä?

Maakaasu, tuo kotimainen “puhdas” energia

CNG, eli paineistettu maakaasu (Compressed Natural Gas) on tutkimuksessa keskeisessä asemassa. Tämä on ymmärrettävää, kun peilaa tutkimusta 1900-luvun viimeisten vuosikymmenten tapahtumiin: Yhdysvaltojen omavaraisuus öljyn suhteen oli heikolla tasolla, kansakunta nojasi vahvasti tuontiöljyyn. 

Juha Pyrhönen näkee asiassa myös ulottuvuuden elämäntapaan ja teollisuuden tukemiseen:

– Yhdysvalloissa on haluttu tukea voimakkaasti vanhaa autoteollisuutta ja vanhaa, fossiilisten polttoaineiden tuhlailevaan käyttöön perustuvaa elämäntapaa. 

Suuri tuotantoalue, Lähi-Itä, oli levotonta aluetta: siellä oltiin käyty muun muassa raskas Irakin ja Iranin välinen sota ja Persianlahden ensimmäinen sota. Niinpä hiilidioksidipäästöjen lisäksi tutkimuksen taustalla on nähtävissä huoli energiansaannin turvaamisesta. 1970-luvun öljykriisit eivät saisi toistua.

– Myöhemmin Yhdysvallat lähti itsekin sotimaan öljyn vuoksi, Pyrhönen pohtii.

Yhdysvaltojen oma liuskeöljyn tuotanto pääsi kunnolla käyntiin vasta noin vuosien 2010-2012 tienoilla, mikä on sittemmin parantanut maan öljyomavaraisuutta tuntuvasti. 

Maakaasun kotimainen saatavuus oli 20 vuotta sitten öljyä parempi ja siksi se oli tutkimuksentekijöillekin relevantti perehtymiskohde, CNG kun olisi kotimainen käyttövoima, jota tieliikenteessä hyödynnettiin vain vähän. 

Maakaasu ja hiili ovat myös taustalla tutkimuksen kertomille sähköautoilun suurille hiilidioksidipäästöille: Näiden fossiilisten käyttövoimien osuus Yhdysvaltojen sähköntuotannossa oli suuri, eli sähköauton menovoima oli varsin hiili-intensiivistä.

Yhdysvaltain sähköverkon hiilipäästöt kääntyivät laskuun vasta noin kuusi vuotta tutkimuksen tekemisen jälkeen. Nyt 2020 on nähtävissä uusiutuvan, nollapäästöisen sähkön valtakauden alkusoitto.

Hybriditekniikka paransi energiatehokkuutta perinteiseen autokantaan verrattuna. Näin ajatellen hybridit, joilla fossiilisesta polttoaineesta saadaan eniten irti, ovat selvästi olleet 20 vuotta sitten myös päästöiltään pienimmät.

– Ensimmäinen hybridi, Toyota Prius, on osaltaan Yhdysvaltain entisen presidentin Jimmy Carterin ansiota. Carter tavoitteli energiastrategiassaan 1970-luvun lopulla suurikulutuksisten autojen korkeaa verotusta, Pyrhönen taustottaa. 

Tämä lienee vaikuttanut Toyotan tuotekehityksen suunnitelmiin, johtaen Priuksen markkinalletuloon 1997. Sähköbensahybridi oli siis melko tuore tapaus tutkimuksen tekoaikaan. 

Litium-ioniakku, tuo epävarma, mutta lupaava tulevaisuuden teknologia

Tutkimuksen sähköautoja käsittelevä osuus on mielenkiintoista luettavaa. Nikkeli-metalli-hydridi -akustot (NiMH) olivat aikansa huipputekniikkaa ja tutkimus ennustaa aivan oikein litium-ioniakkujen (Li-ion) jo siintävän tulevaisuudessa. 

Vuonna 2000 akkujen energiatiheys oli noin 70 Wh/kg, jolloin sähköautossa tavanomainen noin 400 kilon akusto pystyi varaamaan vain noin 28 kWh energiaa. Nykyisten autojen ajokantama olisi tuolla energiamäärällä parhaimmillaankin vain noin 200 kilometriä. 

Tutkimus on varovainen akustojen energiatiheyteen liittyvässä ennusteessaan. Se arveli, että vuodelle 2020 akustojen energiatiheys voisi tuplaantua tasolle 150 Wh/kg. Jos mukaan lasketaan akuston kehikkorakenteita ja lämmönhallintaa, arvaus osuu varsin hyvin kohdalleen. Pelkkien akkukennojen osalta nykyiset energiatiheydet ovat kuitenkin jo reilusti yli 200 Wh/kg.

Voisiko akkukemioiden kehitys jatkua tästä samaa kaarta, siten että energiatiheys vaikka tuplaantuisi vaikka vuosikymmenessä?

Pyrhönen hieman toppuuttelee suurinta intoa akustojen tulevaisuuden osalta.

– Käytössämme on litium, joka on jo ikään kuin lähes parasta, mitä jaksollinen järjestelmä voi tarjota. Tämä rajoittaa teoreettisesti akkujen kehitysmahdollisuuksia. Seuraavia edistysaskelia saataneen kuivista elektrolyyteistä ja pakkaustekniikan kehityksestä, Pyrhönen pohtii. 

Akkutekniikoissa siis keskitytään keinoihin, joilla nykyisen kaltaisilla kemioilla akuston painoista yhä suurempi osuus voisi olla sähköenergian varastoinnin kannalta oleellista litiumia. 

– Akkujen suhteen tärkeää olisi niiden tuotannon päästöjen vähentäminen. Tällä hetkellä akkusähköauto on valmistuksen kannalta merkittävästi perinteistä autoa huonompi vaihtoehto. Tutkimustulosten mukaan litiumakkujen valmistamisen hiilidioksidipäästö vaihtelee 80 – 250 kilon välilä yhden kilowattitunnin varastointikykyä kohden. Eli 100 kWh:n akun valmistaminen päästää pahimmillaan enemmän hiilidioksidia kuin koko muun auton, Pyrhönen laskee.

Pikalataus loistaa poissaolollaan

Yksi keskeinen haaste vuoden 2000 sähköautoilussa oli lataaminen. Tutkimus kertookin sähköauton latauksen tapahtuvan yön yli, kotiparkkiksella – mutta ei muualla. 

Standardisoidun pikalataustekniikan esiinmarssi alkoikin vasta vuosikymmen tutkimuksen jälkeen, 2010-luvulla. Tuolloin nousivat ensimmäiset Chademo- ja CCS-latauslaitteet Japaniin ja Saksaan. 

Yllättävää on se, että tutkimus ei ota edes teoreettista kantaa pikalataamiseen. Jo 20 vuotta sitten NiMH-kemioilla voitiin suotuisissa olosuhteissa ladata akkua 1C-virralla, joten pikalataus, vähintään idean tasolla, on varmasti ollut olemassa jo 20 vuotta sitten. 

On erikoista, että tutkimus pitää mahdollisena esimerkiksi vety- ja CNG-infrastruktuurin nousemista teiden varsille, mutta ei sanallakaan kommentoi sähköautojen pikalatausta. Ehkä Pyrhösen pohdinnoissa Amerikkalaisten öljyintoilun suhteen on perää.

C-kertoimella tarkoitetaan akuston latausnopeutta. 1C tarkoittaa latausvirtaa joka täyttäisi akuston tunnissa. Tuplasti tehokkaampi lataus, 2C, lataisi akuston puolessa tunnissa, 3C puolestaan 20 minuutissa ja niin edelleen. 

Nykyiset markkinoiden tehokkaimmin lataavat sähköautot ovat Porsche Taycan ja Tesla Model 3, jotka saavuttavat parhaimmillaan noin 3C-nopeuden. Latausvirta ja siten latausteho pienenee vähitellen akuston täyttyessä. On myös olemassa akkukemioita, joilla voidaan saavuttaa jopa 10C-nopeuksia, mutta niiden energiatiheys on selvästi heikompi.

Nyt 2020 maailma on suuritehoisen lataamisen osalta täysin erilainen paikka kuin 20 vuotta sitten: autovalmistajat ovat kyenneet sopimaan latauksen standardeista, siten että meillä yksi ja sama latausliitin (CCS) sopii laajasti eri autoihin. Jopa yli 350 kilowatin latauslaitteita on saatavilla. 

Kirjoitin suurteholatauksen tärkeydestä loppukesällä.

Toimiva suurteholatausverkosto on iso tekijä Teslan menestyksen takana, ja pikalataus sellaisenaan on yksi merkittävimmistä sähköautoilua mahdollistavista tekijöistä. Kuitenkaan tutkimus osannut sanallakaan aavistaa sellaisen syntymistä tai sen merkitystä liikenteen sähköistymiselle. 

Entä vety?

Vetyä tuotetaan nykyisin erityisesti fossiilisesta maakaasusta, höyryreformoinnilla. On kuitenkin selvää, että vedyn laajamittainen käyttö osana energiainfrastruktuuria voi toteutua vain nollapäästöisenä, eli veden elektrolyysin kautta. Tällainen vetytalous vaatii paljon päästötöntä sähköä, mutta myös tuotantoteknologiat ovat kehittyneet viime vuosina. 

Veden jakaminen hapeksi ja vedyksi elektrolyysillä, vedyn paineistus ja muuntaminen polttokennoa käyttäen takaisin sähköksi ja vedeksi on kuitenkin hyötysuhteeltaan selvästi akkupohjaista sähkövarastointia heikompaa. Tämä yhdistettynä vetykaasun hankalaan varastointiin ovatkin keskeisiä syitä sille, miksi polttokennoautoja ei käytännössä ole.

Hieman yllättäen tutkimuksen lähtökohtana onkin se, että laaja vetyinfrastruktuuri rakennettaisiin maakaasuerotuksen varaan, eli oleellisesti fossiilisen polttoaineen ympärille. Muina vaihtoehtoina on pohdittu vedyn erottelua nestemäisistä polttoaineista kuten bensiinistä.

Vuonna 2000 tutkimuksessa kokonaisuus ymmärrettiin oikein, mutta vetytekniikoiden heikko hyötysuhde suhteessa akkusähköiseen autoon ei ollut erityinen kysymys, osaltaan sen takia että sähkökäyttöistä vesielektrolyysiä ei pidetty relevanttina vaihtoehtona vedyn tuotannolle.

Tutkimuksesta kuluneet 20 vuotta ovat nähneet maailman muutoksen. Nykyään mikään vakavasti otettava taho ei harkitsisi uusien, fossiilipohjaisten käyttövoimien tuomista tieliikenteeseen. 

Tutkimus toteaa kuitenkin kaukonäköisesti, että tilanteessa, jossa kasvihuonekaasujen vähennystarve on erityisen suuri, vaaditaan sähkökäyttöistä, nollapäästöistä vetyelektrolyysiä. Tässä tutkimus pohtii aikavälin olevan todella pitkä, ehkä 30-50 vuotta. Aikaväliarviossa tutkimus tuntuu osuvan aika hyvin kohdalleen, sillä nyt 2020 vetytalous tuntuu ottavan ensiaskeliaan. 

Henkilöautoihin paineistettu vety ei kuitenkaan ole tulossa. Rekoissa ja muussa raskaassa kalustossa tilanne on toinen: General Motors ilmoitti syyskuun 8. päivä yhteistyökuvioistaan Nikolan kanssa. GM ryhtyy valmistamaan isoa Badger-avolava-autoa. Nikola on tunnettu erityisesti vetypolttokennoihin nojaavasta tuotekehityksestä ja aktiivisesta viestinnästä – ei vielä konkreettisten ajoneuvojen valmistamisesta.

Ajettavuus ja ajokokemus, nuo ihmilliset tekijät

Tutkimusta tekivät aikanaan insinöörit. Parikymmentä vuotta sitten ymmärrettiin, mutta ei ehkä kuitenkaan ymmärretty sähköiseen ajamiseen liittyviä inhimillisiä tekijöitä. Tutkimuksessa kerrotaan kyllä, että sähkömoottori pystyy antamaan heti paikaltaan täyden väännön ja lineaarisesti nousevan tehon, mutta tämän tosiseikan vaikutus ajokokemukseen ja autojen ajettavuuteen jäi hoksaamatta. 

Kuitenkin juuri nopeasti reagoivat voima ja vääntö ovat keskeisiä sähköauton etuja verrattuna oikeastaan kaikkiin muihin käyttövoimiin, ja sillä on vaikutusta autojen haluttavuuteen ja siten menestykseen.

Tutkimuksen esimerkkikuvassa moottoritehoksi esitetään 60 kilowattia, joka riittää mainiosti kevyehkön henkilöauton arkiajoihin. Akku- ja moottoritekniikan kehitys on kuitenkin johtanut tilanteeseen, jossa kuljettajalle voidaan antaa satoja kilowatteja tehoa käyttöön. Sähköautojen ajettavuus onkin yleisesti erittäin hyvä, joskin ne kärsivät ajoittain suuren massan heikentämästä kaarreajosta.

Paljon tehoa yhdistettynä melko edulliseen ja suhteellisesti yhä halpenevaan käyttövoimaan, kasvaneisiin polttoaineiden hintoihin, paikalliseen päästöttömyyteen ja mahdollisuuteen ladata auto paitsi kotona, myös tien päällä on tuonut sähköautot houkuttelevaksi tavalla, jota ehkä kukaan ei osannut ennakoida 20 vuotta sitten. 

Samalla sähkö universaalina käyttövoimana on puhdistunut pahimmista hiilikattiloiden käryistä ja jatkaa edelleen kehitystä kohti nollapäästöjä. Uusiutuvien energiamuotojen kehittyminen ja jonkinlainen ydinvoiman renessanssi ovat aivan keskeisessä roolissa valamassa perustaa sähköiselle liikenteelle.

Teksti ja kuvat: Tuomas Sauliala
Paitsi kuva Juha Pyrhösestä: Juha Pyrhönen