Aku Saarelainen Teknistä etumatkaa

Akkutekniikan kehityksen vaatimaton lähitulevaisuus

  • Kiinteäelektrolyyttinen akku mahdollistaisi vielä nykyistäkin tehokkaamman akkupaketin tilankäytön. Kuva: RMK-sähkömoottoripyörä
    Kiinteäelektrolyyttinen akku mahdollistaisi vielä nykyistäkin tehokkaamman akkupaketin tilankäytön. Kuva: RMK-sähkömoottoripyörä

Sähköauton haluttavuuteen vaikuttaa sen käytettävyys, joka tässä yhteydessä yksinkertaistaen on vastaus kysymykseen ”pääsenkö autolla halutessani paikasta A paikkaan B”. Auton liikenne-energiaan liittyvä käytettävyys riippuu edelleen yksinkertaistaen akkupaketin kapasiteetista, lataustapahtuman toteutuksesta, sekä latauspisteverkon kattavuudesta. Kaksi jälkimmäistä kehityskohtaa ovat nykyteknologialla laitettavissa järjestykseen, kunhan poliittinen tahto ja taskujen syvyys on riittävällä tasolla, siispä tässä kirjoituksessa avataan sähköautojen akkutekniikan lähitulevaisuuden kehitysnäkymiä. Tulevaisuuden ennustamiseen kiinteästi kuuluvan epävarmuuden johdosta ennuste on jaettu kahteen eri skenaarioon. Kirjoitus on suoraa jatkoa blogisarjan ensimmäiselle osalle (linkki).

Skenaario 1: BAU, Business As Usual

BAU-mallin mukaisessa skenaariossa mullistavia läpimurtoja ei tule, vaan teknologinen kehitys jatkuu suurin piirtein nykyisellä vauhdillaan. On toki huomattava, että nykyinenkin tahti vaatii jatkuvia innovaatioita, eli mistään ”tylsästä tulevaisuudesta” ei ole kyse.

Edellisessä kirjoituksessa todettiin nykyteknologian mahdollistavan yksittäiselle akkukennolle energiatiheydeksi noin 300 Wh/kg, jolloin koko ajoneuvon akkupaketin energiatiheydeksi voidaan saavuttaa noin 150–180 Wh/kg. Kirjoittajan tekemään tutkimukseen perustuvan arvion mukaan 2030-luvulla sarjatuotetun sähköauton koko akkupaketin energiatiheydeksi voidaan saavuttaa noin 300 Wh/kg. Tämä tarkoittaisi nykyisiin sähköautoihin verrattuna joko tuplasti pidempää kantamaa, tai puolet kevyempää akkupakettia. Arvio perustuu valmistajien tiedotteisiin sekä aiheesta julkaistuun aikaisempaan tutkimukseen. Tarkemmin käytetyistä lähteistä voi lukea pro graduni (linkki) luvusta 3.3.

Akkukennon komponenttien materiaalivalintoihin liittyy jatkuva paine puristaa nykyteknologiasta yhä enemmän tehoja irti. Nykyisenkaltaisissa akkukennoissa lienee vielä varaa energiatiheyden parantamiseen, mutta kirjoittajan arvion mukaan parhaimmillaankin joitain kymmeniä prosentteja – ainakin tarkasteluaikavälillä. Komponentteihin kohdistuvassa kehityksessä tutkitaan koko akkua, niin elektrodeja kuin elektrolyyttiä (Akkutekniikan kertausta: yläasteelta tutussa ”sitruunaparistossa” kuparilanka ja sinkitty naula ovat elektrodeja, sitruunan mehu taas elektrolyytti).

Koko akkupaketin energiatiheyden kaksinkertaistuminen tekniikan kehittyessä ei kuitenkaan perustu yksittäisen akkukennon energiatiheyden tuplaantumiseen. Tällä hetkellä suurimman kiinnostuksen kohteena on kiinteäelektrolyyttinen litiumioniakku (Solid State Battery). Kiinteällä elektrolyytillä saavutetaan nykyistä nestemäistä elektrolyyttiä suurempi turvallisuus: akkukennon paloherkkyys vähenee, eikä kennon suojaamiseen vaadita yhtä tukevia runkorakenteita. Näin ollen koko akkupakettia tarkastellessa saadaan nostettua varsinaisten akkujen osuutta akkupaketin kokonaispainosta, jolloin koko akkupaketin energiatiheys luonnollisesti kasvaa.

Valmistajien omien ilmoitusten mukaan SSB-akku olisi saatavilla sarjatuotantoon joskus 2020-luvun puolivälissä. Ensimmäisen sukupolven SSB-akkujen suorituskyky tuskin tekee kunniaa teknologian mahdollisuuksille ja markkinamiesten ennustuksiin on luonnollisesti muutenkin syytä suhtautua hieman varauksella. Niin valtavaa nykykiinnostus tätä teknologiaa kohtaan kuitenkin on, että on ihme, mikäli 2030-luvulla ei sijoituksille saada vastinetta.

Skenaario 2: Jotain ihan muuta

Etenkin tilanteessa, jossa edellisessä kappaleessa käsitelty litiumioniakkujen kehitys ei lunasta siihen kohdistettuja lupauksia, voi ratkaisu sähköautojen käytettävyyteen löytyä käyttöperiaatevetoisesti. Tämä tarkoittaisi nykyteknologian hyödyntämistä uusilla tavoilla. Jopa vetyauto laveasti tarkasteltuna sopisi tähän kategoriaan, onhan polttokennoauto teknisesti ottaen vain sähköauto, jonka tarvitsema energia tuotetaan ajoneuvossa itsessään vedystä. Toinen mahdollinen kehityssuunta on ns. virtausakkuteknologia, jossa lataustapahtuma koostuu akkukennojen nestemäisen elektrolyytin vaihtamisesta uuteen ”valmiiksi ladattuun” nesteeseen. Ongelmana näissä molemmissa etenkin Suomessa on infra, käytännössä mitään valmista ei ole, vaan koko verkko pitäisi rakentaa lähestulkoon nollasta (En laske Woikosken kahta vetyasemaa kummoiseksi ”verkoksi”). Näin ollen näihin ratkaisuihin perustuva sähköautokanta näyttää lähitulevaisuudessa epätodennäköiseltä.

Vaikka aiemmin tuli mainittua skeptisestä suhtautumisesta valmistajien lupauksiin, niin Javan ja Internet of Thingsin pioneerin, Bill Joyn, puhuessa on syytä kuunnella. Joyn vision mukaan SSB-tekniikalla on saavutettavissa suurten kapasiteettien lisäksi tehokkaampi energianjakelun hajautus. Tämä niin kutsuttu ”Internet of Energy” vaatisi sekin toteutuakseen merkittäviä panostuksia infrastruktuuriin, mutta mahdollistaisi sähköautojen laajamittaisen käytön myös nykyisillä ajoneuvojen kantamilla. Infrastruktuurin kehittämiseen keskittyvissä skenaarioissa piilee suomalaisen autoilun kannalta pieni vaaranpaikka. Syrjäseuduilla sähköauton lataustapahtuman nopeudesta ei ole suunnatonta iloa, mikäli lähimmälle latauspisteelle on matkaa 150 km. Keski-Eurooppaan hyvin soveltuva järjestelmä ei välttämättä toimi meillä.

Edellä kuvattujen skenaarioiden lisäksi on toki mahdollista, että jokin aivan mullistava innovaatio tekee tarpeettomaksi kaiken tässä kirjoituksessa hahmotellun kehityksen. Näin sattuessa ilo tekniikan edistysaskelista voittaisi 6-0 harmituksen väärässä olemisesta. Ja onhan varusmieskoulutuksen parissa töitä tekevä ihminen turtunut siihen, että yhdessä yössä puolen vuoden aikana tehty uurastus pyyhitään kerralla pois urakan alkaessa jälleen täysin alusta.

 

Tärkeimmät lähteet:

 

https://www.purdue.edu/newsroom/releases/2017/Q2/instantly-rechargeable-...

https://www.wired.com/story/bill-joy-finds-the-jesus-battery/

http://www.thedrive.com/tech/21744/volkswagen-aims-for-solid-state-batte...

 

Piditkö tästä kirjoituksesta? Näytä se!

3Suosittele

3 käyttäjää suosittelee tätä kirjoitusta. - Näytä suosittelijat

NäytäPiilota kommentit (7 kommenttia)

Käyttäjän jlinjama kuva
Jussi Linjama

Tilanne vuonna 1915:

"Täydellisyyteen hiotun sähköauton patterit riittävät ainoastaan noin 150 km matkaan. Sen jälkeen ne täytyy joko ladata uudelleen, mikä toimitus vaatii 3 tuntia, tai vaihtaa toisiin, mikä taas on mahdollista ainoastaan kaupunkiliikenteessä."

Tilanne hiukan yli 100 vuoden jälkeen vuonna 2018:

Autobild lehden testi

- VW e-up 79 km
.....
- Opel Ampera 273 km

https://www.moottori.fi/ajoneuvot/jutut/pienet-sah...

Jotenkin olisin toivonut hiukan jyrkempää kasvukäyrää.

Käyttäjän akusaarelainen kuva
Aku Saarelainen

Todella hyvin sanottu siellä takarivissä!

Käyttäjän opehuone kuva
Esa Mäkinen

Höpsö vertailu. Detroit Electricin huippunopeus oli kolmisenkymppiä. VW e-Up city-miniautoa moottoritienopeudella ruoskimalla pääsee tuon 79 km.

Käyttäjän kosonenjuhapekka kuva
Juha-Pekka Kosonen

Sähköautojen suurin heikkous on se, että niillä ajaminen on suunniteltava huolellisesti etukäteen nimenomaisesti kapasiteetin puutteiden ja hitaan latautumisen johdosta.

Polttomoottoriauton tankin voi huoletta ajaa likimain tyhjäksi ja lähteä aamulla huuoltoaseman kautta liikenteeseen, jolloin viivästys on maksimissaan 5 minuuttia.

Akut likimain tyhjiksi ajetun sähköauton lataaminen unohtuu illalla kiireessä, jolloin autolla ei aamulla kannata eikä käytännössä edes voi lähteä liikenteeseen, koska lataamiseen kuluu aikaa useita tunteja, jotta pääsee edes muutamia kymmeniä kilometrejä eteenpäin.

Induktiolataus ratkaisisi osan sähköautoilun ongelmista, mutta suurempi ongelma lienee siinä, ettei kukaan ole halukas maksamaan sen kustannuksia.

https://tekniikanmaailma.fi/onko-tassa-sahkoautoje...

Käyttäjän opehuone kuva
Esa Mäkinen

Tyypillinen esimerkki kommentista, joka vaatii pitkän kuvittelujen ja jossittelujen ketjun tukirakenteikseen. Ja silti huojuu ja natisee. ”Sähköautoilu ei toimi, koska joskus voi unohtua se latausjohdon kiinnitys” - ja tämän ajatuskukkasen takiako pitäisi suuntailla liikennepoliittisia toimia koko maassa?

Käytännön sähköautoiluarjessa a) latausjohdon kiinnittäminen on rutiinia ja b) nykyiset suuret akut ovat harvoin täysin tyhjiä kotiin tullessa.

Jos oikeita ongelmia nykytilanteesta pitää oikeintikulla kaivaa, niin näyttää siltä, että noissa DC-pikalatureissa esiintyy epäluotettavuutta aikalailla usein. No en niitä käytä, joten omaa kokemusta ei ole. AC-lataustolpat toimivat aina.

Käyttäjän MattiKarnaattu kuva
Matti Karnaattu

Sähköautossa on aika triviaalia laittaa ilmoitus että kytkee lataukseen.

Sen mitä tiedän sähköautolla ajaneita niin ei käytännössä vaikuta ajosuunnitteluun kauppa- ja työmatkoilla (ennemminkin päinvastoin kun ei tarvitse ajaa tankkaamaan) mutta toiselle puolelle suomea jos menee niin sitten on eri juttu.

Käyttäjän akusaarelainen kuva
Aku Saarelainen

Kun vaihdoin vanhan nokialaisen älyluuriin, mulla oli samoja lataamiseen liittyviä huolia. Käytäntö on kuitenkin osoittanut, että tässä kuuden älypuhelinvuoden aikana on päässyt akku loppumaan vain pitkissä sotaharjoituksissa ja rankkojen ryyppyputkien aikana.

En toki edes yritä sanoa että kännykkä ja sähköauto on 1=1, mutta uskon että yllä kuvatun kaltaiset huolet väistyvät kun uuden tekniikan käyttöön oppii, eli tällöin tekniikka ohjaa välineen käyttöperiaatetta. Tämä tietenkin tapahtuu vain tiettyyn rajaan asti. Jos me yritetään ajaa työkäyttöä ajoneuvolla, joka mahdollistaa pakkaskelissä vain 200-300km kantaman, voi vaadittu käyttöperiaatteen muutos olla liikaa.

Mitä tulee polttomoottorikäyttöisten autojen huolettomuuteen, niin sitähän voi kysyä niiltä lappilaisilta jotka ovat kuluneen parin viikon aikana yrittäneet lähteä liikenteeseen ilman moottorin esilämmitystä(eli sitä että laitetaan se piuha edellisiltana kiinni). Eilen kävin antamassa kaverille Hiluxilla vähän lisäsähköä, ja on tuossa omassakin Bemarissa CTEK ruksuttanut yhden päivän kotipihassa...

Toimituksen poiminnat

Tämän blogin suosituimmat kirjoitukset