Kuka voittaa sähköautovalmistuksen pudotuspelissä ?

Viime viikolla uutisoitiin, että ensimmäistä kertaa virallisissa Yhdysvaltain EPA-testeissä sähköautomallille on mitattu yli 800 kilometrin kantama. Kyseessä on Teslan tapaan Kalifornialaisen startup-yrityksen Lucidin luksusauto Air, jonka ensimmäisten asiakastoimitusten pitäisi tapahtua vielä tämän vuoden aikana ( https://www.theverge.com/2021/9/16/22675936/lucid-motors-air-range-epa-rating-tesla ). Tuollaisen kantaman pitäisi riittää jo useimpien käyttäjien tarpeisiin, mutta tärkeämpää on se, että Airissa on “vain” 113 kilowattitunnin akku ja siten sen energiatehokkuus on yli 10% parempi kuin esimerkiksi samankokoisessa Teslan Model S -mallissa, jossa on 100 kilowattitunnin akku ja jolle on EPA-testeissä mitattu lähes 650 kilometrin kantama. 10% parempi energiatehokkuus tarkoittaa sitä, että autoon voidaan laittaa kymmenesosan pienempi akku, minkä ansiosta myös auto kevenee, mikä sekin alentaa energiankulutusta. Samasta akkukennomäärästä saadaan akku kymmeneen autoon yhdeksän asemasta eli toisin sanoen joka kymmenennen auton akku on ilmainen, mikä alentaa valmistuskustannuksia, sillä akku on tällä hetkellä yksi sähköauton hinnakkaimmista komponenteista. Käyttäjän kannalta parempi energiatehokkuus tarkoittaa edullisempia ajokilometrejä ja nopeampaa pikalatausta, sillä samalla sähkömäärällä pääsee pidemmän matkan.

Energiatehokkuuden parantamiseen kannattaa siis panostaa. Lucidin toimitusjohtajan Peter Rawlinsonin mukaan sähköautoteollisuudessa onkin pohjimmiltaan kyse siitä, että kuka kehittää parhaan tekniikan, sillä sen vaikutukset heijastuvat niin moneen asiaan. Lucid Motors perustettiin vuonna 2007 valmistamaan sähköautojen akkuja ja voimalinjoja muiden valmistajien käyttöön. Rawlinson siirtyi Lucidille vuonna 2013 työskenneltyään sitä ennen Teslalla kehittämässä sen ensimmäistä omaa Model S -mallia. Lucid päätti ryhtyä sähköautovalmistajaksi ja luksusauto Air on nyt ensimmäinen tuotantoon tuleva malli. Rawlinson on aiemmin maininnut Airin pääkilpailijan olevan Mercedes-Benzin S-sarjan, mutta Mercedes-Benz on sittemmin julkistanut myös oman EQS-sähköautonsa. Lucid on rakentanut täysin uuden tehtaan Arizonaan, jossa on tarkoitus valmistaa vuosittain jopa 90000 autoa ja kaavailtujen laajennusten jälkeen noin 400000 autoa. Lucid on myös perustanut lukuisia omia asiakaspalvelupisteitään ja Airin jälkeen tuotantoon on tarkoitus ottaa myös edullisempia malleja. Kaava on siis hyvin samanlainen kuin Teslalla, mutta Lucid on edelleenkin kiinnostunut toimittamaan akku- ja voimalinjatekniikkaa muillekin valmistajille. Lucid on muutaman viimeksi kuluneen vuoden aikana toimittanut akut kaikkiin Formula E-sarjan kilpa-autoihin ja pystynyt hyödyntämään sieltä saatua kokemusta tuotekehityksessään. Keskeinen seikka Lucid Airin energiatehokkuudessa on siinä käytettävä yli 900 voltin jännite, mikä on yli kaksinkertainen useimmissa sähköautoissa käytettyyn noin 400 voltin järjestelmään verrattuna. Suurempaa jännitettä käytettäessä samaa tehoa varten tarvitaan pienempi virta ja kun lämpöhäviöt riippuvat virran suuruudesta, niin ne pienenevät ja energiatehokkuus paranee.

Alan Cocconi suunnitteli enintään 400 voltin jännitteellä toimivan moottoriohjaimen General Motorsin Impact -sähköautoprototyyppiin 1980-luvun lopulla. Tuo jännite valikoitui pitkälti sen vuoksi, että suurempaa jännitettä kestäviä transistoreja ja muita komponentteja ei juuri ollut saatavilla, koska niille ei ollut tarvetta. Työskentelin itse tuohon aikaan Elcat-sähköautoprojektissa ja siinä käytettiin 72 voltin jännitettä ja useimmissa muissakin tuon ajan sähköautoissa käytettiin alle 100 voltin jännitettä, joten 400 volttia oli iso hyppäys ja merkittävä parannus energiatehokkuudessa ja käyttöominaisuuksissa. Cocconin oman yrityksen AC Propulsionin TZero-urheiluautossa käytettiin pitkälti samanlaista moottoriohjainta kuin Impactissa ja kun Tesla Motors perustettiin tavoitteenaan saada TZero sarjatuotantoon, niin tekniikka periytyi Teslalle ja myös Model S-mallissa tekniikka oli pitkälti sama ( https://cleantechnica.com/2017/06/17/ac-propulsion-t-zero-godfather-modern-evs/ ). Vuonna 2016 esitellyssä Model 3 -mallissa käytettiin osittain kestomagneeteilla varustettua moottoria aiemman oikosulkumoottorin sijaan, mikä oli ensimmäinen Teslan itse kehittämä muutos voimalinjatekniikassa. Uusi moottori tarjosi huomattavan parannuksen energiatehokkuuteen ja sitä alettiin käyttää myös muissa malleissa. Model S:ssä Tesla oli keskittynyt tekemään autosta “pyörillä liikkuvan tietokoneen”, jonka ominaisuuksia voitiin päivittää ja laajentaa kätevästi etäpäivityksinä samaan tapaan kuin matkapuhelimissa oli totuttu tekemään. Model S:n avulla Tesla pystyi hankkimaan kenttäkokemusta akkujen ja voimalinjojen toiminnasta käytännön olosuhteissa ja rajoja haettaessa akkuja ja voimalinjoja jouduttiinkin autoihin uusimaan usein takuutyönä. Model S oli kuitenkin hinnoiteltu sen verran korkealle, että nämä kulut saatiin katettua ja lisäksi rahoitettua Supercharger-pikalatausverkoston rakentamista. Asiakkaat olivat valmiita maksamaan korkeamman hinnan, sillä markkinoilla ei ollut mitään muuta ominaisuuksiltaan vastaavaa (sähkö)autoa, mutta käytettyjen ensimmäisten vuosimallien autojen hinnat ovat pudonneet rajusti niiden myyntihintaan verrattuna. Model 3 ja sittemmin Model Y -mallien myötä Tesla on keskittynyt enimmäkseen sarjatuotantomenetelmien kehittämiseen ja tuotantokustannusten alentamiseen. Näiden mallien energiatehokkuus on kuitenkin edelleen parempi kuin useimmilla kilpailijoilla, sillä Tesla vastaa itse lähes koko auton tekniikasta ja pystyy optimoimaan akkujen ja voimalinjan toiminnan kokonaisuutena. Lisäksi Tesla on kehittänyt lämmönhallintajärjestelmän, jossa moottorin ja ohjauselektroniikan tuottama hukkalämpö otetaan talteen ja voidaan ohjata lämmittämään sisätilaa tai akkuja tarpeen mukaan. Tarvittaessa myös sisätilaa voidaan viilentää ja ohjata lämpö lämmittämään akkuja esimerkiksi pikalatausta varten. Akkua voidaan käyttää myös lämpövarastona esimerkiksi pakkaskelillä lämmittämällä se verkkovirralla hieman normaalia lämpimämmäksi ja tätä lämpöä voidaan hyödyntää ajettaessa sisätilan lämmittämiseen. Näiden järjestelyjen avulla käytännön kantama ei laske paljoakaan pienellä pakkaskelillä, mikä on seikka, jota EPA- ja muut standardoidut kantamanmittaustavat eivät ota huomioon.

Kiinassa valtio on tukenut voimakkaasti sähköauton valmistusta ja maassa toimii nyt noin 300 valmistajaa, joiden halutaan nyt yhdistävän resurssejaan kansainvälisestikin kilpailukykyisempien kokonaisuuksien muodostamiseksi ( https://www.talouselama.fi/uutiset/kiinan-valtio-haluaa-sahkoautojen-ylituotannon-kuriin-maassa-toimii-jo-300-sahkoautovalmistajaa/a35f6cc1-fab9-4bd3-8811-fccae0b67c05 ). Muutamat kiinalaisvalmistajat kuten Nio ja Xpeng ovat tuoneet autojaan jo Euroopankin markkinoille ja lisää on oletettavasti tulossa. Kiinalainen laatu on nykyään hyvää ja esimerkiksi Teslan Shanghain tehtaan valmistamat autot ovat osoittautuneet selvästi laadukkaammiksi kuin Kalifornian tehtaan tuotteet. Sähköautomarkkinoille on siis tulossa monia uusia pelureita ja esimerkiksi yhdysvaltalainen Rivian aloitti äskettäin sähköavolava-autojensa sarjatuotannon ( https://electrek.co/2021/09/14/rivian-team-watches-first-customer-r1t-roll-off-production-line/ ). Applen sähköautosta on liikkunut monenlaista huhua ja aika näyttänee tuleeko se totutumaan ja jos, niin millä tavalla. Toki on myös niitä, jotka ovat luopuneet suunnitelmistaan kuten innovatiivisista pölynimureistaan tunnettu Dyson ( https://electrek.co/2020/05/18/dyson-cancelled-electric-car/ ). Toisaalta markkinoille on tulossa uudenlaisia konsepteja kuten joukkorahoituksella toteutettu Sono Motorsin Sion, kohtuuhintainen aurinkopaneelien avustuksella toimiva sähkökäyttöinen perusauto, jota NEVSin Trollhättanin tehtaan on tarkoitus alkaa valmistaa parin vuoden sisällä ( https://www.iltalehti.fi/autouutiset/a/b99f2a56-8c85-43b3-bab2-782a4efe7558 ). Sonon konseptiin kuuluvat myös jäsenten välinen kyytipalvelu ja autojen yhteiskäyttö. Teslankin tuotantokapasiteetti tulee kasvamaan merkittävästi, kun Berliinin ja Teksasin tehtaiden tuotannon on määrä käynnistyä vielä tämän vuoden aikana.

Uusia pelureita on siis tulossa markkinoille, mutta autojen kokonaismyyntimäärä ei tule kasvamaan paljoa nykytasosta vaan asiakkaat tulevat ostamaan sähköautoja polttomoottoriautojen sijaan. Pelkkiä sähköautoja valmistavien uusien pelureiden haasteena on saada nostettua tuotantomäärä kannattavalla tavalla kysynnän edellyttämälle tasolle, mutta perinteisillä autonvalmistajilla on haasteena sekä saada sähköautoja myytyä riittävä määrä että sopeuttaa hiipuva polttomoottoriautojen tuotanto niiden kysynnän tasoon. Tarjonnan lisääntyessä keskeinen kysymys onkin se, että valitsevatko asiakkaat perinteisten valmistajien sähkömallin vai jonkun uuden tulokkaan tuotteen? Todennäköisesti perinteisten valmistajien tuotantomäärät tulevat laskemaan ja onkin esitetty näkemyksiä, että autonvalmistajat ovat ylikorostaneet maailmanlaajuisen puolijohdesirupulan vaikutusta selittämään autojensa tuotantomäärien laskua, vaikka todellinen syy on se, että asiakkaat eivät näytä haluavan ostaa heidän valmistamiaan sähköautoja niin paljon kuin oli ennakoitu ( https://www.bloomberg.com/opinion/articles/2021-07-15/the-chip-shortage-excuse-is-getting-old-for-carmakers ). Usein tilanne nähdäänkin siten, että perinteisillä valmistajilla on haasteena kertaluonteinen “malliston sähköistäminen” ja monet valmistajat ovatkin toimineet tässä asiassa totutulla tavallaan ja delegoineet suuriakin kokonaisuuksia alihankkijoiden vastuulle, mikä saattaa johtaa laadunvalvontaongelmiin. Äskettäin on uutisoitu General Motorsin (GM) Bolt-sähköauton akkujen tulipaloista, joiden yhtenä syynä on nähty juurikin tällainen laatuongelma ( https://www.iltalehti.fi/autouutiset/a/b8070a00-f9dd-4975-a5f1-8cf589bfba20 ). GM on varotoimenpiteenä ohjeistanut Boltin käyttäjiä pysäköimään autonsa riittävän kauas muista autoista, mikä tuskin herättää monessa potentiaalisessa ostajassa kovin suurta luottamusta GM:n sähköautoja kohtaan. Mainittakoon, että Teslallakin oli muutama vuosi sitten hieman samanlainen ongelma, kun Model S syttyi palamaan parkkihallissa, mutta Tesla pystyi etäpäivitysten avulla rajoittamaan autojen maksimilataustasoa (ja myös maksimikantamaa) siksi aikaa, kunnes ongelman syy saatiin selvitettyä, jonka jälkeen akunvalvontajärjestelmään kehitettiin ja lisättiin uusia ominaisuuksia estämään vastaavat tapaukset ja lopulta uusi ohjelmistoversio lähetettiin autoihin etäpäivityksenä ja kantama voitiin jälleen palauttaa alkuperäiselle tasolleen. Tesla tosin joutui maksamaan joillekin asiakkaille pieniä korvauksia, koska auton kantama ei ollut ongelmanratkaisun aikana lupausten mukainen, mutta tästä ei koitunut kovin suurta haittaa. GM:llä olisi 2000-luvun alussa ollut hyvä tilaisuus ottaa etulyöntiasema sähköautomarkkinoilla, kun se Kalifornian ilmanlaatulautakunta CARBin vaikutuksesta tuotteisti Impact-prototyyppinsä EV1 -sähköautoksi, mutta GM valitsi projektin lakkauttamisen ja varmuudeksi murskasi lähes kaikki yli tuhat valmistamaansa autoa. Tuolloin lakkauttamista perusteltiin sillä, että sähköautoilla ei ollut kysyntää, mitä samaa mantraa toistettiin usein myöhemmin Teslan kohdalla, mutta viimeistään nyt on käynyt selväksi, että kysyntä ei todellakaan rajoita Teslan autojen myyntiä. Todennäköisesti kysynnän puute tulee kuitenkin rajoittamaan GM:n sähköautojen myyntiä tulevaisuudessa.

Sähköautomarkkinat saattavat siis näyttää hyvinkin erilaisilta muutaman vuoden päästä, mutta varmaa on se, että sähköautojen osuus autokannasta kasvaa ja samalla liikenteen energiankulutus pienenee huomattavasti, sillä keskimääräinen nykyaikainen sähköauto on vähintään kolme kertaa polttomoottoriautoa energiatehokkaampi. Energiatehokkuus on asia, jonka merkitystä tulisi tuoda nykyistä enemmän esille ja jonka kehittämiseen tulisi keskittyä. Vaikuttaakin hieman kummalliselta, että jotkut autonvalmistajat panostavat edelleen esimerkiksi vetypolttokennosähköautoihin, joiden energiatehokkuus on suunnilleen yhtä huono kuin polttomoottoriautoilla ( https://www.is.fi/autot/art-2000007973650.html ). Lucid on saavuttanut etulyöntiasemaa keskittymällä koko järjestelmän toiminnan optimointiin ja käyttämällä tavanomaista suurempaa jännitettä, mutta tuskinpa vielä ollaan lähelläkään parasta mahdollista saavutettavissa olevaa energiatehokkuutta. Jännitteen nostaminen on suoraviivainen tapa parantaa energiatehokkuutta, mutta mielestäni esimerkiksi nyt jo edesmenneen David Squiresin luento otsikolla “Advanced Motor Secrets” valottaa monia keinoja, joilla sähkömoottorin hyötysuhdetta voidaan parantaa ( https://advancedmotorsecrets.com/ ). Squiresin mukaan hänen käyttämänsä suunnitteluohjelmat eivät kuitenkaan anna samoja tuloksia käytännön kokeiden kanssa, sillä nämä ohjelmat perustuvat 1900-luvun alussa vakiintuneeseen hyvin rajalliseen sähkömagnetismiteoriaan. Ongelma onkin siinä, että lähes kaikki suunnittelu tapahtuu nykyään tuollaisten ohjelmien avulla. Squiresin mukaan toinen syy on se, että paras mahdollinen energiatehokkuus ei yleensä ole ollut keskeinen kriteeri sähkömoottoreissa, vaan tärkeämpää on ollut esimerkiksi pieni koko ja mahdollisimman edulliset valmistuskustannukset. Squiresin mukaan hänen prototyyppimoottorinsa tuotti saman akselitehon kuin tavanomainen moottori mutta kulutti vain kolmasosan sähköä. Toisin sanoen sen energiatehokkuus oli 300% parempi. Tuollaista moottoria käyttämällä sähköauton akun koko voitaisiin pudottaa kolmasosaan nykyisestä, mikä olisi jo todella merkittävä säästö. Squiresin prototyyppimoottori oli tosin suurikokoinen ja painava, mutta todennäköisesti olisi käytännöllisempiäkin ratkaisuja toteuttaa siinä käytettyjä kikkoja. Suuri ongelma on kuitenkin koulutuksen tuottamissa ennakkoasenteissa, joiden mukaan tällaiset ratkaisut ovat mahdottomia. Sellaisiahan ne suunnitteluohjelmienkin mukaan ovat, mutta vain siksi, että nuo ohjelmat perustuvat hyvin rajoittuneeseen teoriaan. Kuinka moni lähtee tutkimaan käytännössä asiaa, jonka uskoo olevan mahdoton? Ehkä kuitenkin kannattaisi, sillä energiatehokkuuden parantaminen tuo mukanaan monta hyvää asiaa.

 

 

+4
Olli Taina
Sitoutumaton Hämeenlinna

Totuudenetsijä.

Ilmoita asiaton viesti

Kiitos!

Ilmoitus asiattomasta sisällöstä on vastaanotettu