Liikenteen päästöt kuriin energiatehokkuutta parantamalla

Keskiviikkona 9.9.2020 kalifornialainen Lucid Motors esittelee Air-luksusautonsa. Auto piti esitellä jo huhtikuussa New Yorkin autonäyttelyssä, mutta koronaviruspandemia viivästytti suunnitelmia. Auto oli tosin jo lähes esittelyvalmis kolmisen vuotta sitten, mutta vaikeudet pääoman keräämisessä tuotantolaitosta varten siirsivät auton esittelyä myöhempään ajankohtaan. Nyt tuotantolaitoksen ensimmäisen vaiheen rakennukset ovat jo pystyssä Arizonassa ja tuotannon luvataan käynnistyvän vuoden 2021 alkupuolella. Lucid Motorsin väki ei ole suinkaan levännyt laakereillaan noiden kolmen vuoden aikana, vaan ovat parannelleet Air-mallin tekniikkaa entisestään. Julkistuspäivä 9.9. lienee valittu sen vuoksi, että Air-mallin neljännesmailin (400 metriä) kiihdytysajaksi on mitattu 9,9 sekuntia. Se on aika, jonka pystyy saavuttamaan vain muutama automalli, joista Lucid Air on ainoa neljän hengen henkilöauto muiden ollessa monin verroin hinnakkaampia urheiluautoja ( https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_fastest_production_cars_by_acceleration  ). Huikea kiihtyvyys ei kuitenkaan ole Airin keskeisin ominaisuus. Se on myös erittäin energiatehokas kuluttaen 100 km matkaan sähköä vain noin 1,5 bensiinilitran energiasisältöä vastaavan määrän. Akkusähköautossa keskeinen osa energiatehokkuutta on myös tehokas jarrutusenergian talteenotto, mikä edellyttää sitä, että järjestelmä on suunniteltu käsittelemään suuria hetkellisiä tehoja ja kun näin on, niin tehoa voidaan tarvittaessa syöttää myös akusta pyöriin päin, jolloin autolle saadaan hyvä kiihtyvyys. Lisäksi moottoripaketti on hyvin pieni polttomoottori-vaihteistokokonaisuuteen verrattuna, jolloin ulkomitoiltaan pienempäänkin auton koriin saadaan hyvät sisätilat. Lisäksi voimansiirto on äänetön ja värinätön. Vaikuttaisi siis olevan ihanteellinen tekniikka luksusautoon, eikö?

Tuota mieltä oli Lucid Motorsin väki ja siksi päättivät suunnitella Airin, jonka tärkeimmäksi kilpailijaksi nimeävät Mercedes-Benz S-sarjan. Mutta jos on olemassa näin hyvin luksusautoon sopivaa tekniikkaa, niin miksi esimerkiksi Mercedes-Benzin, BMW:n ja Audin huippumalleissa on edelleen polttomoottori? Se onkin hyvä kysymys. Vastaus liittynee läheisesti perinteisiin ja totuttuihin käytäntöihin sekä siihen, että energiatehokkuus on useimmiten jäänyt prioriteeteissä muiden tekijöiden jalkoihin. Lucid Motors perustettiin Kaliforniassa vuonna 2007 nimellä Atieva tavoitteenaan kehittää ja valmistaa akkuja ja sähkötekniikkaa ajoneuvovalmistajien tarpeisiin. Tätä yritys tekee tälläkin hetkellä, sillä se esimerkiksi toimittaa akut kaikkiin Formula E -kilpasarjan autoihin. Teslan ja muidenkin valmistajien sähköautojen tullessa markkinoille Lucidilla huomattiin sähkökäyttöjen energiatehokkuudessa olevan vielä parantamisen varaa. Tunnetusti sama teho saadaan aikaan käyttäen pientä jännitettä ja suurta virtaa tai suurta jännitettä ja pientä virtaa. Jälkimmäisessä vaihtoehdossa lämpöhäviöt ovat kuitenkin suuremmat, sillä ne kasvavat virran kasvaessa. Suuri jännite on siis energiataloudellisesti edullinen, mutta vaatii myös hyvän suojauksen mahdollisia sähköiskuja vastaan. 400 volttia oli sähköautoissa yleinen käyttöjännite johtuen todennäköisimmin siitä, että sitä suurempia jännitteitä kestäviä komponentteja ei ollut helposti saatavilla. 400 volttia oli ja on yleinen jännite verkkovirralla käytettävissä sähkölaitteissa (kolmivaiheisessa sähkössä kahden vaiheen välillä). Esimerkiksi kun Tesla aloitti ensimmäisen henkilöautomallinsa Model S:n valmistuksen vuonna 2012, sen sähkökäyttö oli edelleen hyvin pitkälti samanlainen kuin AC Propulsion tZerossa, jonka sarjavalmistusta varten koko Tesla Motors oli aikanaan perustettu. Alan Cocconi oli suunnitellut järjestelmän alun perin jo vuonna 1990 Los Angelesin autonäyttelyssä esiteltyyn GM Impact -prototyyppiin käyttäen suurinta mahdollista jännitettä, johon oli komponentteja saatavilla. 400 volttia oli reilusti suurempi jännite kuin monissa muissa tuon aikaisissa sähköautoissa, joissa käytettiin tyypillisesti noin 120 voltin jännitettä. Teslan kehitystyö keskittyi enemmän Model S:n alustaan, koriin ja ohjelmistoihin kuin sähkökäytön energiatehokkuuteen. Toimintamatkaa latauksella saatiin lisää asentamalla autoon suurempi akku, jonka massan vaikutukset huomioitiin mahdollisimman hyvin auton suunnittelussa. Teslalla vuosina 2009-2012 Model S:n suunnittelussa työskennellyt Peter Rawlinson siirtyi Lucid Motorsin palvelukseen vuonna 2013.

Yksi keskeisistä Tesla Model S:ään liittyvistä kritiikeistä on ollut se, että joidenkin ostajien mielestä auton sisustus ja viimeistely ei ole ollut sen hinnan edellyttämällä tasolla. Ostajat ovat odottaneet luksusta, mutta saaneet “vain” hyvää amerikkalaista tasoa. Tämä tilanne on luonut markkinoille tilaa Lucid Airin kaltaiselle autolle, mikä lieneekin syy siihen, että Lucid Motors päätti alkaa valmistaa kokonaisia autojakin eikä pelkkiä sähköjärjestelmiä, joille Air toiminee hyvänä mainoksena. Model S toimi Teslan testialustana varsinaisia sarjatuotantomalleja (3,Y jne.) varten ja sen hintaan oli sisällytetty muun muassa akkujen ja sähkökäyttöjen takuukustannuksia ja näitä komponentteja onkin vikaantumisten vuoksi vaihdettu näihin autoihin aika paljon. Kertyneet kokemukset on hyödynnetty varsinaisten sarjatuotantomallien suunnittelussa, sillä niissä on suuria takuukorjausoperaatioita ehdottomasti vältettävä. Tesla on siirtänyt painopistettään tuotannon tehostamiseen ja Elon Muskin mukaan Model S:ää ja X:ää valmistetaan edelleen vain “perinteen vuoksi”. Tämäkin seikka vähentää mahdollista kilpailua Lucid Airin ja Tesla Model S:n välillä. Siirtyminen laajempaan sarjatuotantoon on myös siirtänyt Teslan painopistettä teknisestä edistyksellisyydestä tuotantokustannusten karsimiseen. Model 3:een esiteltiin uusi osittain kestomagnetoitu reluktanssimoottori, joka on myös melko energiatehokas, mutta keskeinen syy sen käyttöönottoon on se, että sen roottori on rautaa eikä kallista kuparia. Yleisestikin paras mahdollinen energiatehokkuus on harvoin keskeisin kriteeri sähkömoottoreissa edullisten tuotantokustannusten, pienen koon ja muiden seikkojen viedessä usein voiton.

Teslalla on tavoitteena valmistaa edullisesti parhaalla mahdollisella energiatehokkuudella varustettuja sähköautoja, mutta mikä on tilanne perinteisillä autonvalmistajilla? Lucid Motorsin Peter Rawlinson sanoo, ettei akkujen, moottorin ja muiden komponenttien valitseminen toimittajien listalta ja niiden liittäminen toisiinsa tuota kovin energiatehokasta sähköautoa. Tällainen toimintamalli on yleinen ja tuottaa sen maksimissaan 400 voltin jännitteen järjestelmän. Lisäksi jos alustana käytetään alun perin polttomoottorikäyttöiseksi suunniteltua autoa, niin lopputulos ei ole paras mahdollinen. Esimerkiksi BMW iX3:n tapauksessa kävi niin, että USA:n jälleenmyyjät totesivat sen toimintamatkan latauksella jäävän niin pieneksi, etteivät amerikkalaiset asiakkaat sitä ostaisi. Niinpä BMW päätti ainakin toistaiseksi olla viemättä autoa USA:n markkinoille. USA:n markkinoille näyttää muodostuneen periaate, että akkusähköautolla täytyy päästä yhdellä latauksella vähintään 250 mailia oli tuolle sitten todellista tarvetta tai ei. Teslakin päätti olla esittelemättä alun perin suunnitelmissa ollutta Model Y:n pienempiakkuista mallia, mutta Teslalla on kyllä tarjolla hieman kallimpia suurempiakkuisia malleja. Todellinen kysymys onkin se, että haluavatko perinteiset autonvalmistajat oikeasti myydä akkusähköautoja, eli autoja, joissa ei ole polttomoottoria?

Polttomoottori on ollut keskeinen osa autoteollisuutta T-Fordin ajoista lähtien. Se vaatii säännöllistä öljynvaihtoa ja muutakin huoltoa ja huoltotoiminnasta on tullut iso osa autoliikkeiden toimintaa. Jos polttomoottori poistuu, niin samalla poistuu säännöllinen huoltotarvekin. Esimerkiksi Teslan autoissa ei nykyään ole edes määräaikaisia tarkastuksia ja huoltomiestä tarvitaan vain vikatapauksissa. Jarruosatkaan eivät juuri kulu, koska jarrutusenergialla ladataan akkuja. Autokauppa on muuttumassa samantyyppiseksi kuin esimerkiksi kännyköiden kauppa – asiakas ostaa laitteen esimerkiksi netin kautta ja pitää sen ajan tasalla lataamalla uusimmat päivitykset. Melkoinen muutos perinteiseen autoalan toimintaan nähden ja suurena tekijänä tässä kehityksessä on juuri polttomoottorin poistaminen autosta. Perinteiset valmistajat ovatkin esitelleet monia “sähköistettyjä” automalleja, joissa on sekä polttomoottori että jonkinlainen sähkökäyttö. Tällainen rakenne on kovin monimutkainen akkusähköautoon verrattuna ja konkreettinen päästöjen vähentyminenkin riippuu auton käytöstä ja käyttäjästä. Normien mukaan mitatut päästöt kuitenkin laskevat ja sitä myötä myös autovero. Mielestäni juuri tuo polttomoottorin säilyttäminen autossa mahdollisimman pitkään on keskeinen motiivi tällaisten mallien yleisyydelle. Polttomoottoreihin liittyvä osaaminen on ollut keskeisessä osassa autotehtaissa ja siitä luopuminen merkitsee suuria muutoksia. Itse opiskelin 1990-luvun lopulla TKK:ssa autotekniikkaa ja polttomoottoriprofessorimme sanoi meille, ettei kannata yrittää kehittää uusia polttomoottorin korvaavia ratkaisuja vaan kannattaa keskittyä tekemään polttomoottorista mahdollisimman hyvä. No, nyt on selkeästi nähtävissä, että polttomoottorin lähtölaskenta on käynnissä ja ainoastaan aikataulu on vielä avoin.

9.9.2020 on siis luvattu esitellä maailmalle Lucid Air ja se, mihin hyvin suunniteltu ja toteutettu akkusähköauto pystyy. Peter Rawlinsonin mukaan keskeisenä tekijänä on suunnitella koko järjestelmä yhtenä kokonaisuutena eikä vain liittää yhteen eri komponentteja. Rawlinsonin mukaan Lucid Airin energiatehokkuuden ytimessä on järjestelmässä käytetty yli 900 voltin jännite. Hyvä energiatehokkuus kertautuu positiivisesti moneen asiaan: samaan ajomatkaan riittää pienempi ja kevyempi akku, kevyempi auto kuluttaa vähemmän energiaa, ajomatkaa voidaan ladata nopeammin, pienempi akku on edullisempi valmistaa ja vaatii vähemmän luonnonvaroja jne. Energiatehokkuuden parantamiseen kannattaa siis panostaa. Jos kaikkien henkilöautojen energiankulutus 100 km matkalla saataisiin pudotettua keskimäärin esimerkiksi 2 bensiinilitran tasolle, niin sillä olisi melkoinen vaikutus henkilöautoliikenteestä aiheutuviin kokonaispäästöihin käytettiin sitten mitä tahansa energiamuotoa. Mutta onko Lucid Airin esittelemä ratkaisu energiatehokkuuden ääripää? Perehdyttyäni melko paljon sähkön käytön historiaan olen tullut siihen näkemykseen, että energiatehokkuus ei ole ollut keskeisessä osassa sähkön käytön kehittymisessä. Thomas Edison rakensi ensimmäisen nykyisen kaltaisen sähköverkon, kun halusi myydä ihmisille hehkulamppujaan, joiden käyttämiseksi ihmiset tarvitsivat sähköä. Edisonin ratkaisu oli käyttää tavanomaista suurempia lennätinlaitteissa käytettyjä keloja, joiden juureen asettettiin generaattorin roottori, jota pyöritettiin höyrykoneen avulla. Suuri osa kelojen magneettikentästä meni hukkaan ja energiatehokkuus oli huono, mutta se ei haitannut, sillä lamput toimivat ja kauppa kävi. Edisonin hehkulamppu kilpaili kaasuvalon kanssa ja siksi hänen täytyi saada kaasunmyyjät tukemaan omaa järjestelmäänsä, ensisijaisesti koska se oli turvallisempi. Edisonin rahoittajiakaan huono energiatehokkuus ei haitannut, sillä Edison oli kehitellyt heitä varten tavan mitata sähkön kulutusta, minkä perusteella he voivat laskuttaa asiakkaita. Myöhemmässä vaiheessa alettiin valjastaa vesiputousten voimaa sähkön tuotantoon eikä siinäkään energiatehokkuus ollut keskeisin kriteeri. Suomessakin kaiketi aikoinaan pohdittiin, että miten kaikki Imatran voimalaitoksen tuottama sähkö saataisiin koskaan käytettyä. Nikola Tesla yritti 1900-luvun alussa Wardenclyffen laitoksellaan toteuttaa energiatehokkuudeltaan paremman järjestelmän, mutta kun siinä ei olisi voinut laskuttaa asiakkaita sähkön käytöstä, niin kukaan ei suostunut rahoittamaan laitoksen valmistumista. Nikola Tesla myi vaihtovirtamoottorinsa patenttioikeudet Westinghouselle vuonna 1888, minkä vuoksi hän pystyi perustamaan oman laboratorion ja jatkamaan sähkön olemuksen tutkimista muiden keskittyessä käyttökelpoisten ratkaisujen toteuttamiseen olemassa olleen tiedon perusteella. Näin ollen (Nikola) Teslasta tuli ainoa merkittävä tutkija, joka jatkoi sähkön olemuksen tutkimista ja hän löysikin monta uutta juttua. Vallitsevat teoriat kuitenkin kehittyivät toisten ratkaisujen pohjalta ja näihin perustuviin laskentamalleihin perustuvat ne Lucid Motorsinkin käyttämät simulaatiomallit, joiden avulla Lucid Air on syntynyt. Esimerkiksi magnetismissa on mielestäni vielä paljon hyödyntämätöntä potentiaalia, joten Lucid Airinkaan kyvyt eivät luultavasti ole lähelläkään sitä energiatehokkuutta, joka kokeellisen tutkimuksen avulla olisi mahdollista saavuttaa. Erinomaisen hyvän energiatehokkuden avulla avulla päästöongelmakin ratkeaisi kuin itsestään.

 

Ilmoita asiaton viesti

Kiitos!

Ilmoitus asiattomasta sisällöstä on vastaanotettu