Akun pitäisi varastoida paljon energiaa ajomatkalle ja ladattaessa siirtää energiaa nopeasti. Tuoko litiumakku lopultakin sähköauton, joka on ollut tulollaan monesti?



Sisältö jatkuu mainoksen alla


Sisältö jatkuu mainoksen alla

Julkaistu Tiede-lehdessä 10/2008

Sähköauto on tulossa, taas kerran. Esimerkiksi Renault-Nissan on ilmoittanut tuovansa sähköauton maailmanmarkkinoille 2012. Muutkin autotehtaat puuhaavat sähkön kimpussa.

Tähän mennessä jokainen yritys tehdä sähköauto on epäonnistunut.

Sähkön kannattajat uskovat, että nyt asiat ovat toisin. Kiinnostus saasteetonta autoilua kohtaan on kasvanut. Tärkein muutosvoima on kuitenkin litiumakku.


Jo Henry Ford sai nenilleen

Thomas Edison
ja Henry Ford tekivät 1900-luvun alussa suunnitelmia maailman täyttämiseksi sähköautoilla polttomoottorikulkuneuvojen sijasta. Edison kehitti lyijyakun tilalle nikkeliakkua, joka olisi asennettu Fordin autoihin.

Tulevaisuus näytti valoisalta. Sähkömoottori oli suositumpi kuin bensiinikone. Huippu saavutettiin 1912, kun Yhdysvalloissa rekisteröitiin ajan mittojen mukaan valtava määrä sähköautoja, 33 000.

Lupaavan alun jälkeen syntyi kuitenkin odottamattomia ongelmia. Nikkeliakkua ei saatu toimimaan kunnolla. Ford ja Edison hautasivat sähköautohankkeensa, ja polttomoottori valloitti maailman.

Aika ajoin, varsinkin 1990-luvulla, autotehtaat yrittivät taas tuoda sähköautoja markkinoille, mutta saivat aina nenilleen.


Lyijyakku painaisi tonneja

Taistelun ovat aina ratkaisseet akut - akun mukana sähköauto kaatuu ja nousee.

Akkuongelma on helppo ymmärtää. Olemme tottuneet kannettavien tietokoneiden akkuihin, jotka aina tuntuvat uuvahtavan kesken käytön. Sähköautossa on täsmälleen sama ongelma, vain kertaluokkaa vaikeampi.

Yksi litra bensiiniä tai dieselöljyä sisältää noin 8,6 kilowattituntia energiaa. Viidenkymmenen litran tankkiin mahtuu energiaa 430 kilowattituntia, ja tämä energiavarasto painaa vajaat 40 kiloa. Jos kulutus on viisi litraa sadalla kilometrillä, tankillisella pääsee tuhat kilometriä.

Perinteinen lyijyakku sisältää tyypillisesti 35 wattituntia energiaa kiloa kohti. Lyijyakkupaketti, joka sisältää saman määrän energiaa kuin 50 litran tankki, painaisi yli kaksitoista tonnia!


Litiumakku vain satoja kiloja

Onneksi sähköauton hyötysuhde on paljon parempi kuin polttomoottorikäyttöisen. Sähköenergiasta siirtyy pyöriin vähintään 85 prosenttia, bensiinin energiasta vain 15. Tarvitsemme vain kaksi ja puoli tonnia akkuja bensatankin korvaamiseen.

Kun vaihdamme lyijyakut litiumakkuihin, energiatiheys nelinkertaistuu eli nousee pyöreästi 150 wattituntiin kiloa kohti. Enää tarvitsemme vajaat kuusisataa kiloa akkuja.

Voimme edelleen pudottaa painoa, jos luovumme vaatimuksesta, että yhdellä tankkauksella on päästävä Hangosta Utsjoelle. Jos olemme valmiit pitämään lataustauon kahdensadan kilometrin välein, vähän yli sadan kilon painoinen akkusarja riittää.


Jos Mooren laki pätisi

Nyt alkaa kuulua nurinaa. Ei käy, sanoo kansa. Meillä on jo tarpeeksi vempaimia, joiden akuista loppuu virta kesken kaiken. Nyt sitten pitäisi hankkia autokin, jota on ladattava alvariinsa.

Akku todella ahdistaa. Sanotaan, että kännykässäkin ainoa osa, joka ei kehity Mooren lain mukaan, on akku.

Mooren laki sanoo, että transistorien määrä mikropiirissä kaksinkertaistuu vajaassa kahdessa vuodessa. Jos akun energiatiheys nousisi likipitäen samaa tahtia, nykyisen 150 wattitunnin sijaan kilon akkuun mahtuisi kymmenen vuoden päästä 4,8 kilowattituntia. Sadan kilon akuilla pystyisi ajamaan noin 5 600 kilometriä eli Helsingistä Pariisiin ja takaisin ilman latausta.

Kahdessakymmenessä vuodessa energiatiheys tuhatkertaistuisi. Vuoden 2030 paikkeilla tuhannen kilometrin ajoon riittäisi jo alle kilon akku.

Miksi insinöörit eivät sitten tee parempia akkuja, kun ovat niin viisaita? Kun ne nanoteknikotkin puhuvat aina, että alhaalla on tilaa. Eikö elektroneja ja ioneja millään pystytä pakkaamaan tiheämpään?

- Esimerkiksi lyijyatomilla on sama massa, tehdään mitä vain, muistuttaa akkuasiantuntija, dosentti Kai Vuorilehto. Hän tutkii sähkökemiallisia energiaratkaisuja Teknillisessä korkeakoulussa ja toimii myös uuden suomalaisen akkutehtaan, European Batteriesin, teknologiajohtajana. - Myöskään kemiallisten reaktioiden nopeuksiin ei voi rajattomasti vaikuttaa.


Luonto pistää rajat

Yksi lyijyatomi pystyy siirtämään kaksi elektronia akkua ladattaessa tai purettaessa. Elektronien määrää ei voi kaksinkertaistaa, vaikka kuinka haluaisi.

Reaktiot tapahtuvat elektrodien pinnoilla. Tekemällä kaksi suurta elektrodia saadaan akkuun mahtumaan paljon energiaa, mutta akusta tuleva sähkövirta jää pieneksi. Jos taas pakataan akku täyteen ohuita katodi- ja anodilevyjä, virta kulkee vauhdikkaasti mutta akun energiatiheys jää pieneksi.

Sähkövarauksisia hiukkasia, ioneja, voi nimittäin verrata huoneessa oleviin ihmisiin. Muutama ihminen voi juosta helposti pienestäkin huoneesta ulos, kun taas suuressa salissa olevan ison ihmisjoukon on liikuttava hitaasti, jotta ovet eivät tukkeutuisi. Akussa elektrodien välillä on ikään kuin huoneita. Pieniin mahtuu vähän sähköä, mutta "ovien" eli pintojen läpi pääsee kulkemaan paljon virtaa. Kun tilaa suurennetaan, sähkömäärä eli akun kapasiteetti kasvaa mutta lataaminen ja purkaminen hidastuvat.

Sähköauton akun pitäisi varastoida paljon energiaa ajamista varten ja samalla kyetä siirtämään sähköä nopeasti, kun autoa "tankataan". On vaikea toteuttaa molempia yhtä aikaa.

Nanotekniikalla voidaan kasvattaa pintaa ja lisätä tehoa, mutta energiamäärä, joka tiettyyn tilaan mahtuu, ei kasva.
- Luontoäiti sanelee rajat, kiteyttää Vuorilehto. - Tietotekniikassa rajana ovat lähinnä vain insinöörien mielikuvitus ja tuotantotekniikka, akkutekniikassa fysiikka ja kemia.


Litiumilla on monta hyvettä

Aine kerta kaikkiaan on sellaista, että on helpompi kasvattaa datan kuin energian määrää tietyssä tilassa. Päivittelemme akkujen heikkoutta, mutta oikeastaan meidän pitäisi hämmästellä, että akkutekniikka on edennyt näinkin pitkälle.

Nikkelimetallihydridiakut antavat kaksi kertaa enemmän sähköä kuin lyijyakut, litiumakut kaksi kertaa enemmän kuin nikkeliakut. Litiumakku on todellinen kumous, joka mahdollistaa muun muassa sähköauton.

Litiumin salaisuus on ensiksi keveys. Se on kevein metalli, noin kaksikymmentä kertaa kevyempi kuin lyijy. Litium on myös sähkökemiallisesti edullista. Niinpä litiumakulla jännite saadaan suuremmaksi kuin muilla akuilla. Jännitteen noustessa myös energiamäärä kasvaa.

Aivan ominaispainojen suhteessa akku ei kevene. Litiumakussa on useita muitakin aineita, kuten grafiittia ja akkutyypin mukaan kobolttia, mangaania tai fosforia.


Lataus vie ainakin tunnin

Itsestään kumous ei kyllä tapahdu, vaan työtä on tehtävä vielä paljon. Riittävän energiatiheyden lisäksi sähköauton akun on täytettävä muitakin vaatimuksia. Yksi on lyhyt latausaika.

Sähköautoharrastajat lataavat akut nykyisin yleensä kotitalouden verkkovirralla, jonka jännite on 230 volttia ja virta enintään 16 ampeeria. Sähköajoneuvoyhdistyksen ja Sähköautot - Nyt! -hankkeen kotisivujen mukaan akkujen täyttäminen 150 kilometrin ajoa varten kestää 8-12 tuntia.

Jos huoltoasemalle tehdään suuritehoinen latauspiste, aika voi lyhentyä kahteen tai yhteenkin tuntiin, mutta polttonesteen lyhyeen tankkausaikaan ei hevin päästä.

- Teknisesti on varmaan mahdollista tehdä akku, joka latautuu viidessä minuutissa, Vuorilehto sanoo. - Mutta tällainen akku tuskin on energiasisällöltään ja muilta ominaisuuksiltaan paras mahdollinen.


Robotti vaihtaa akun

Tunnin-kahden latausaika kuulostaa hankalalta, mutta ongelma voidaan kiertää. Kalifornialainen yritys Better Place on käynnistämässä sähköautojen lataus- ja akunvaihtopalvelua, aluksi Israelissa ja sitten Tanskassa. Ensimmäiset latausasemat on tarkoitus perustaa tämän vuoden loppuun mennessä.

Yhtiön suunnitelmien mukaan vuonna 2011 Israelissa toimii puoli miljoonaa latauspistettä. Latausvuoroa ei tarvitse odottaa. Sähköverkko ulottuu kaikkialle ja mahdollistaa tiheän huoltamoverkon. Lisäksi on yli sata vaihtoasemaa, joilta saa täyden akun tyhjentyneen tilalle, jos ei ole aikaa lataamiseen. Asemat toimivat automaattisesti: robotti vaihtaa akun, eikä kuljettajan tarvitse edes nousta autosta.

Latausongelman voi siis unohtaa. Myös akkujen luotettavuus ja turvallisuus on parantunut. Kun hintakin vielä laskee tuotantosarjojen kasvaessa, esteet sähköauton tieltä katoavat pian kokonaan.

- Kymmenen vuoden kuluttua iso määrä ihmisiä ajaa sähköautolla, Vuorilehto ennakoi.
Sähköauto tulee varmasti, jos kuluttajat aidosti haluavat savutonta ja melutonta liikennettä ja ovat valmiita kiristämään autojen päästörajoja.

Israel, jossa ajomatkat ovat lyhyitä, on luultavasti paras paikka maailmassa aloittaa sähköautokumous. Monissa muissa maissa, kuten Suomessa, todennäköisesti aloitetaan hybrideistä ja siirrytään täyteen sähköautoon sitten kun palveluverkko on saatu rakennetuksi.



Kalevi Rantanen on diplomi-insinööri, tietokirjoittaja ja Tiede-lehden vakituinen avustaja.

Aiheesta lisää:
www.sahkoautot.fi/wiki:markkinoilla-olleet
www.sahkoautot.fi/wiki:nyt-saatavilla
www.sahkoautot.fi/wiki:tulossa-markkinoille
Sähköautot - nyt!  www.sahkoautot.fi/
Sähköajoneuvoyhdistys www.evaf.org/
Better Place Project www.betterplace.com/
Katso akun lataus ja vaihto: www.youtube.com/watch?v=f9bc4vNccL0


Sähköautoja kaupassa

Nyt markkinoilla
Think Nordic
Reva (Intia)
Tesla Roadster


Tulossa pian
Nissan-Renault Better Place
Smartin ja Mercedesin sähköversiot
Mitsubishi i-MiEV
Pininfarina
Flybo (Kiina)


Sähköauton kilometritolppia


1899 belgialainen Camille Jenatzy ylitti sähköautolla ensimmäisen kerran nopeusrajan 100 kilometriä tunnissa.

1900 Yhdysvalloissa autoista kulki 38 % sähköllä, 40 % höyryllä ja 22 % bensiinillä.

1912 sähköauton suosio saavutti huippunsa, kun Yhdysvalloissa rekisteröitiin yli 33 000 sähköautoa.

1958 neuvostoliittolaiset tutkijat ennustivat kirjassa Maailma vuonna 2007, että vuonna 2007 Moskovassa kulkee vain sähköautoja.

1959 ensimmäinen "moderni" sähköauto Henney Kilowatt, jossa oli transistoritekniikkaa, rakennettiin Yhdysvalloissa.

1969 Osmo A. Wiio ennusti kirjassa Tieteen eturintamasta, että vuoteen 2000 mennessä sähköautot "melkoisen suurella varmuudella" korvaavat bensiinillä ja öljyllä käyvät autot.

1990 Suomessa posti otti käyttöön Elcat-sähköautoja.

1990-2005 autotehtaat kokeilivat useita sähköautomalleja, mutta kaikki epäonnistuivat. Kompastuskiviä olivat lyhyet ajomatkat ja tarve suunnitella päiväjärjestys latausaikojen mukaan.

1992 japanilaiset ja saksalaiset asiantuntijaryhmät ennustivat, että vuosina 2008-2010 "laajaan käyttöön tulee sähköautoja", joilla on yhtä hyvä suorituskyky kuin bensiiniautoilla.

2006 Suomen posti lopetti sähköautojen käytön, koska akkutekniikka kehittyi odotettua hitaammin ja myös siksi, että Elcatin valmistus loppui.

2008 Nissan ilmoitti tuovansa sähköauton Yhdysvaltojen ja Japanin markkinoille vuonna 2010 ja koko maailman markkinoille 2012.


Sähköautoon siirtyminen: mikä vauhdittaa, mikä estää?


Vauhdittaa:
+
Pakokaasujen puuttuminen. Koko energiaketjun puhtausaste voi vaihdella, mutta vaikka sähkö tuotettaisiin hiilellä, päästöt pienenevät sähköauton hyvän hyötysuhteen vuoksi.

+ Meluttomuus.

+ Ajamisen helppous. Alussa tuntuu selvimmin ehkä sähköauton hyvä kiihtyvyys, mutta myöhemmin sähkö mahdollistaa kokonaan uuden tarkkuuden. Moottorit voidaan sijoittaa pyöriin, jolloin jokaista pyörää voidaan kääntää erikseen ja esimerkiksi pysäköinti helpottuu.

+ Korjausten ja huollon helpottuminen auton yksinkertaistuessa. Sähköautossa ei ole edestakaisin liikkuvia mäntiä eikä monimutkaista polttoainejärjestelmää venttiileineen ja pumppuineen.

+ Hybridin vetoapu. Hybridiautot ovat jo liikenteessä ja totuttavat käyttämään sähköä. Kun hybridiin aletaan ladata sähköä pistorasiasta, kynnys siirtyä täyteen sähköautoon madaltuu entisestään.


Jarruttaa:
-
Vieläkin ajomatka lyhyempi kuin polttomoottoriautolla.

- Lataus- ja akunvaihtopisteet pitää rakentaa.

- Akut yhä suhteellisen kalliita.

Sisältö jatkuu mainoksen alla