UUSIMMAT

Sähköauto yltää hurjaan vauhtiin

01.12.2011 14:52 | Aki Lehti

Lappeenrannan teknillisen yliopiston sähkökäyttölaboratoriossa on suunniteltu muun muassa Valmet Automotiven EVA-konseptiauton sekä Metropolian ERA-kilpa-auton sähköiset ajomoottorit. Näistä ERA on kaksipaikkainen, hiilikuitukorinen urheiluauto, joka kiihtyy nollasta sataan alle viidessä sekunnissa. Auton neljä moottoria – yksi jokaista pyörää varten – edustaa poikkeuksellista suoravetotekniikkaa.

 

 

 

 

 

 

 

 

Metropolia ammattikorkeakoulun ERA (Electric RaceAbout) sähköurheiluauto saavutti sähköautojen rataennätyksen kuuluisalla ja vaativalla Nürburgringin Nordschleife-moottoriradalla. Auton ratissa istui saksalainen kilpa-ajaja Ralf Kelleners. Hän ajoi 20,8 kilometriä pitkän radan ajassa 8,42,72. Kyseessä on virallinen sähköautojen rataennätys. ERA esiteltiin teknologiamessuilla Helsingissä lokakuussa. Auton takana Hannu Saren (TkT, LUT, taajuusmuuttajien toimittaja) (vas,), Ralf Kelleners ja Juha Pyrhönen.

Laboratorio on tunnettu erikoissähkökoneiden suunnitteluosaamisestaan. Siinä syy, miksi laboratoriota pyydettiin mukaan EVA- ja ERA-projekteihin.

– Näin pääsimme mukaan sähköautosuunnittelun pilotointihankkeisiin juuri, kun akkutekniikka alkaa olla siinä kehitysvaiheessa, että sähköautojen yleistyminen mahdollistuu, kertoo Pyrhönen.

– ERAn moottorit eivät sinällään sähkökoneina ole erityisen ihmeellisiä. Poikkeuksellisia niistä tekee se, että moottorit piti soveltaa juuri kyseiseen tarkoitukseen. Sellaisia moottoreita ei kaupasta saa, toteaa professori Juha Pyrhönen yliopiston sähkönkäyttölaboratoriosta.

Kun ERAn suunnittelu alkoi, Metropolian projektipäällikkö Sami Ruotsalaisella oli tiukat vaatimukset autoon tulevien koneiden koon ja ennen kaikkea massan suhteen. Massan piti olla pieni, mutta siitä tuli saada mahdollisimman paljon vääntömomenttia.

– Pohdimme asiaa aikamme ja päädyimme reluktanssivääntömomenttiavusteiseen kestomagneettitahtikoneeseen, hymähtää Pyrhönen sanojaan, jotka eivät mattimeikäläiselle heti avaudu.

– Suomeksi se tarkoittaa sitä, että moottori pystyy tuottamaan paljon vääntöä pienillä nopeuksilla, mutta sillä pystytään ajamaan myös suurilla nopeuksilla. Päädyimme parhaaseen mahdolliseen kompromissiin.
 

Pikkupoikamaista suunnittelun riemua 

Pyrhönen ja akatemiatutkija Janne Nerg lähtivät suunnittelutyöhön lyhyen harkinnan jälkeen. Molemmissa kun on tallella aimo annos nuoruuden intoa.

– Pikkupoikia kiinnostaa enemmän moottorin suunnittelu urheiluautoon kuin golfkärryyn, tietää Pyrhönen.

Pyrhöstä ja Nergiä ajoivatkin eteenpäin ennemminkin into ja palo kuin iso projekti, sillä moottorit tehtiin todella pienellä budjetilla.
Urheiluauton moottorin suunnitteluun käytetty aika ei silti valunut hukkaan, sillä saatua oppia on voitu hyödyntää myös muissa LUT Energian hankkeissa.

– Pääasiallinen kokemuksemme liittyi aiemmin lähinnä teollisuussähkökoneisiin, mutta nyt opimme ymmärtämään myös ajomoottoreita. Niitä käytetään aivan eri tavalla kuin teollisuuden moottoreita.

Suuri ero teollisuuden sähkömoottoreihin on juuri siinä, että teollisuudessa moottorit mitoitetaan jatkuvalle, tietylle kuormalle.

– Jos teollisuusmoottorin teho on esimerkiksi 110 kW, voidaan sellaista moottoria ajaa kyseisellä teholla vaikka maailman tappiin. Auton moottori ei toimi samoin. Nürnburgringin testiajossa moottoreiden ei tarvinnutkaan toimia muulloin kuin vakiopisteessä pääsuoran ajan ja sielläkin maksiminopeuspisteessä, selvittää Pyrhönen.
 

ERA kiihtyy kuin ohjus

Sähköurheiluauto ja tehdyt nopeusennätykset ovat tietenkin vain tietynlaisia erikoisuuksia. Nürburgringissä ajetuilla nopeuksilla nykyakut tyhjenevät 11 minuutissa. Normaaliajossa noin satasen vauhdilla energiaa löytyisi parille, kolmelle sadalle kilometrille. Kaikilla testeillä pyritään kuitenkin siihen, että tulevaisuudessa moottoreista ja akuista saadaan enemmän tehoa vähemmällä energian kulutuksella.

ERA-urheiluautossa on jokaiselle pyörälle oma moottorinsa, kun tavallisessa autossa moottoreita on vain yksi sekä mekaaninen voimansiirto.

– ERAssa on neljä moottoria, jotta painava mekaaninen voimansiirto voitaisiin välttää. Tavallisella henkilöautolla ajetaan maantiellä melko tasaista vauhtia ja usein ajetaan hitaasti kaupungissa, eikä autoon näin ollen tarvita kuin kaksipyöräveto, Pyrhönen selvittää.

Aiheestaan selvästi innostunut Pyrhönen paljastaa, että on saanut tilaisuuden astua ERAn rattiin. Auton voimavaroista hän tosin toteaa saaneensa Skinnarilankadulla vain kalpean aavistuksen, vaikka kiihdytys Linnunradalta Punkkerimäkeen lähtikin aivan räjähtävällä voimalla.
 

Polttomoottorin hyötysuhde on heikko, sähkömoottorin hyvä

Sähköauto ei ole uusi keksintö, sillä ensimmäiset käyttöön otetut autot olivat nimenomaan sähkökäyttöisiä. 1900-luvun alussa polttomoottoriautot kuitenkin syrjäyttivät ne. Syynä oli muun muassa vielä nykyäänkin niin kovin tuttu ongelma sähköenergian varastoinnissa ja toisaalta se, että polttomoottoreille oli kehitetty sähköinen starttimoottori. Sähkökoneet joutuivat siis avustamaan sähköautojen syrjäyttämisessä. Akkutekniikka on kuitenkin sadassa vuodessa kehittynyt siinä määrin, että nyt saatetaan piankin olla tilanteessa, jossa palataan lähtöruutuun ja siirrytään takaisin sähkökäyttöisiin autoihin.

Tavallinen henkilöauto tarvitsee 100 kilometrin ajoon noin 15 kWh mekaanista energiaa. Jos auton polttomoottori tuottaa maksimissaan vaikkapa 100 kW tehon, tarkoittaa se sitä, että moottori on ylimitoitettu noin seitsenkertaisesti.

Osateholla toimivan polttomoottorin hyötysuhde on varsin huono. Tekniikan Maailma toteutti taannoin testin, jonka mukaan pakkasaamun kylmäajossa kaupungissa muutaman kilometrin matkalla keskihyötysuhde eri autoilla oli vain 5 – 11 prosenttia. Kesäkelissä päästään sentään 15 – 20 %:n keskihyötysuhteeseen.

Sähkömoottorin hyötysuhde on puolestaan erittäin korkea, yli 90 prosenttia, ja sitä voidaan hetkellisesti ylikuormittaa reilusti. Kun polttomoottoriautossa liike-energia muuttuu jarrutettaessa lämmöksi, talletetaan sähköautossa liike-energia hyvällä hyötysuhteella akkuun.
 

Vuoden polttoaineet 300 eurolla

Suomalainen autoilija ajaa päivässä keskimäärin 50 kilometriä. Jos autoilija vaihtaisi ajokkinsa sähköautoon, se tarkoittaisi auton vuotuisena sähkönkulutuksena vain noin 300 euroa.

Tulevaisuudessa sähköauton etuna on myös se, että se voidaan liittää kotona parkkipaikan tavalliseen sähkötolppaan tai kiinteistöissä ulkopistorasiaan. Pikalatauksen voi tehdä huoltoasemilla ja pysäköintihallien yhteyteen tulevilla latausasemilla.

Kotikiinteistössä pikalataus ei toistaiseksi ole mahdollista ilman kalliita investointeja, sillä pikalataukselta vaaditaan huomattavasti korkeampia tehoja kuin kotikiinteistön liittymästä voi saada.

Sähköautosta tulee rakenteeltaan nykyisiä polttomoottoriautoja yksinkertaisempi, mikä vähentää huollon tarvetta. Myös siitä, että moottori ei käytännössä kulu, seuraa huoltotoimissa selkeitä säästöjä.

Älykkäässä verkossa (Smart Gridissä) energiaa tuotetaan, kulutetaan ja varastoidaan. Verkon kuormitusta puolestaan ohjataan tarpeiden mukaan. Tässä skenaariossa sähköautojen akut voisivat toimia pienenä energiavarastona. Ne tasaisivat esimerkiksi kuormitushuippuja, ja hiljaisena aikana ne latautuisivat.

 

TIETORUUTU: LUT Energia

Lappeenrannan teknillinen yliopisto on Suomen suurin yliopistollinen energia-alan tutkija ja kouluttaja. Tutkimusryhmämme energia-, sähkö- ja ympäristötekniikan aloilla toimivat yhtenäisessä LUT Energia -tutkimuskokonaisuudessa, ja tarjoavat poikkitieteellistä osaamista yhteistyökumppaneilleen.

Hallitsemme ympäristöystävällisesti koko energiaketjun energialähteistä loppukäyttöön: polttoaineet, energiantuotantoteknologiat, sähköverkot ja -markkinat sekä energiankäytön ja tuotantoprosessit. Energiatehokkaiden ratkaisujen löytäminen edellyttää laaja-alaista tutkimusta.

Tutkimustoimintamme on luonut pohjan useille maailmanlaajuisille menestystuotteille ja uudelle yritystoiminnalle. Osaamisestamme kertovat myös kymmenet myönnetyt patentit. Vuosittain meiltä valmistuu 130 energia-alan diplomi-insinööriä ja kymmenkunta tekniikan tohtoria, jotka sijoittuvat laajasti eri tehtäviin yliopistoista yrityksiin. Tulevaisuudessa maailma on entistä sähköisempi. Uusille osaajille löytyy alalta varmasti runsaasti töitä ja haasteita.

Koulutusohjelmamme ovat energiatekniikka, sähkötekniikka ja ympäristötekniikka. Hakuaika tekniikan DI-ohjelmiin on 4.3.-3.4.2013 klo 16.15.

 

Kysymys-/vastauspalsta MuroBBS:ssä

Olemme avanneet foorumin puolelle oman viestiketjun, jossa Lappeenrannan teknillisen yliopiston tohtoriopiskelijat ja professorit vastaavat murolaisten kysymyksiin. Kysymykset voivat liittyä yhtä hyvin opintoihin kuin muihinkin energia-, sähkö- tai ympäristötekniikan kiinnostaviin kysymyksiin, esimerkiksi tuulivoimaan, aurinkoenergiaan, bioenergiaan, ydinvoimaan ymv. Toki myös Lappeenranta opiskelukaupunkina voi herättää mietteitä. Kysymyksissä voi nostaa esille omakohtaisia kokemuksia, oivalluksia ja haasteita, joihin on törmännyt energiaan liittyen. Emme rajaa aiheita tiukasti, joten nyt vain kysymysten pariin ja odottamaan vastauksia!

Laitetaan tähän jo valmiiksi muutama tämän artikkelin aihepiiriin liittyvä kysymys vastauksineen. Vastaajana toimi professori Juha Pyrhönen.

Sähköauto tulee, sortuvatko verkot?

Eivät sorru. Vaikka kaikki tämän hetken henkilöautot muutettaisiin yhdessä yössä taikasauvalla sähköautoiksi, merkitsisi se alle 10 %:n lisäystä sähkönkulutukseen, mikä ei vaadi uusia voimalaitosinvestointeja eikä uutta siirtokapasiteettia. Tarvitaan ainoastaan hieman lisää älykkyyttä lataukseen

Miksi sähköautot tulevat juuri nyt, miksei esim. 100 vuotta sitten?

Koska vasta nyt akut alkavat olla juuri ja juuri sellaisia, että niiden ominaisuudet riittävät vastaamaan kysyntään. Kyseessä on tosin muna-kana -ilmiö. Koska öljyn käyttäminen energiavarastona on ollut niin helppoa ja aluksi luullun haitatonta, ei ole ollut tarpeen kehittää akkuja ennen kännykkäaikaa. Kännykkäakkujen kehitys on osaltaan koitunut myös suurten akkujen kehitystyön hyväksi.

Norjassa sähköautot yleistyvät vauhdilla, miksi? Miksi ei Suomessa? Miten Norjassa toimitaan eri tavalla kuin Suomessa? Mm. Oslosta on tullut maailman sähköautojen pääkaupunki.

  • Norja on asettanut korkeat hiilidioksidipäästöjen vähentämistavoitteet
  • Norjassa valtiovalta tukee sähköautoilua, mm.: 
  • Sähköautoista ei peritä tuontiveroa eikä arvonlisäveroa
  • Sähköautot voivat ohittaa ruuhkat käyttämällä bussikaistoja
  • Sähköautoilla hyvin alhainen ajoneuvovero (vain 10 – 20 % fossiilisia polttoaineita käyttävistä ajoneuvoista)
  • Julkisilla latausasemilla maksuton lataus
  • Ei tietullia eikä lauttamaksuja autosta
  • S-autoilta ei peritä ruuhkamaksuja
  • Sähköauton voi pysäköidä ilmaiseksi keskustan yleisille parkkipaikoille

Riittääkö akuissa volyymi?

Eihän se vielä oikein kovin hyvin riitä, mutta 300 km toimintamatka ilman latauksia on sentään jo mahdollista.

Mitä maailmalla on tehty sähköautoistumisen eteen? Missä eniten, mitä maat ovat edelläkävijöitä?

Japanilaiset aloittivat hybriautobuumin 1990-luvulla vastatakseen USA:ssa kaavailtuihin energiatehokkuusvaatimuksiin. Hybridiautot ovat käytännössä sähköautoja, joissa on kuitenkin vielä polttomoottori-generaattori tuottamassa sähköä. Muut jättivät tämän etsikkoajan käyttämättä ja siksi japanilaiset ovat pisimmällä. USA:n ja Euroopan autovalmistajat seuraavat nyt kiihkeästi perässä.

Millaisia s-autoja Suomeen tulee – millaiseen käyttöön, miksi? Mitä ominaisuuksia tarvitaan /suositaan – missä s-auto on parhaimmillaan?

Verkosta ladattavat hybiridit tulevat markkinoille vuodesta 2012 lähtien. Ne ovat hieman määrittelystä riippuen erilaisia sähköautoversioita, joilla voidaan ajaa ilman polttomoottoria muutama kymmenen kilometriä. Esim. Opel Ampera mahdollistaa 50 km päivässä ajavalle täyssähköautoilun.

Sitten on teidän vuoronne!